АНТЕННАЯ СИСТЕМА Российский патент 1996 года по МПК H01Q9/18 

Изобретение касается антенн и может быть использовано для построения антенных систем с электрически короткими излучателями, особенно в диапазоне средних, длинных и сверхдлинных волн.

Известна антенна (патент Великобритании N 2076226, кл. Н 01 Q 9/00, 1981), представляющая собой антенную систему, состоящую из ряда параллельных цилиндрических излучателей, внутри которых проходят центральные проводники, причем верхний конец каждого нечетного по счету излучателя соединен с верхним концом центрального проводника, выходящего из последующего четного излучателя, и наоборот. Таким же образом соединены нижние концы каждого четного излучателя и выходящего из него центрального проводника с соответствующими нижними концами и центральными проводниками каждого последующего нечетного излучателя. При этом за счет перекрещивания проводников достигается однонаправленность излучающего тока и увеличение сопротивления излучения при малых линейных размерах излучателей.

Недостатком данной антенной системы является то, что распределение тока вдоль электрически коротких излучателей имеет форму трапеции. Кроме того, общая длина таких излучателей не превышает четверть длины рабочей волны, что уменьшает достижимое сопротивление излучения антенны.

Наиболее близкой к изобретению является сверхдлинновoлновая система с малой высотой (патент США N 3984839, кл. Н 01 Q 9/18), состоящая из генератора, настроечных реактивных сопротивлений, ряда параллельных полых металлических цилиндрических излучателей, внутри которых проходят центральные проводники, верхние концы которых соединены с горизонтальной частью. В данной системе в качестве излучателей используются излучатели, включенные по схеме верхнего питания. При этом излучающий ток распределен по излучателю практически равномерно, что увеличивает сопротивление излучения.

Недостатком данной антенной системы является то, что при работе на сверхнизких частотах для получения приемлемой полосы пропускания и КПД остается необходимость использования относительно высоких излучателей.

Задачей изобретения является расширение полосы пропускания антенной системы и повышение КПД.

Данная задача решается за счет того, что антенная система содержит генератор, настроечные реактивные сопротивления, ряд параллельных наружных металлических цилиндров, внутри которых проходят центральные проводники, верхними концами соединенные с горизонтальными проводами, дополнительные металлические цилиндры, расположенные между каждым наружным металлическим цилиндром и центральным проводником, и устройства настройки и фазирования, причем каждый дополнительный металлический цилиндр в совокупности с центральным проводником, горизонтальными проводами и наружным металлическим цилиндром образуют соответствующие излучатели, входами которых являются изолированные от земли нижние концы наружных цилиндров, а выходами изолированные от земли нижние концы дополнительных цилиндров, при этом верхний конец каждого дополнительного цилиндра соединен с верхним концом соответствующего наружного цилиндра, горизонтальные провода излучателей изолированы друг от друга, нижние концы центральных проводников заземлены, генеpатор подключен к входу первого излучателя, в каждом излучателе между его входом и выходом, а также параллельно выходу последнего излучателя включены настроечные реактивные сопротивления, вход каждого устройства фазирования соединен с выходом предыдущего излучателя, а выход с входом последующего излучателя.

Если для расчета электрически коротких излучателей принять модель длинной линии с распределенными потерями, обусловленными излучением, то для расчета активной составляющей входного сопротивления антенной системы, взятой за прототип, в верхней точке можно пользоваться следующей формулой:
Rвх W·Re(cth(gH)) (1) где W волновое сопротивление излучателя;
g комплексный коэффициент распространения;
Н высота излучателя.

g a + i·b, (2) где а коэффициент затухания;
b коэффициент фазы.

Данная формула верна для случая, когда на конце излучателя пучность тока.

Из вышеизложенного следует, что в формуле (1) в первом приближении
а n² ·a1, (3) где а1 коэффициент затухания одиночного излучателя той же высоты;
n число излучателей.

Очевидно, что в предлагаемой антенной системе при соблюдении синфазности питания излучателей, при том же количестве элементов n коэффициент затухания в каждом излучателе тоже равен а.

Кроме того, в качестве эквивалентной схемы предлагаемой антенной системы при соответствующей настройке устройств настройки и фазирования и правильном выборе настроечных элементов можно выбрать линию с тем же, что и в прототипе, коэффициентом затухания, но длиной n·H. Этим и обуславливается значительный выигрыш в сопротивлении излучения, полосе и КПД в предлагаемой антенной системе по сравнению с прототипом.

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемой системы с тремя излучателями.

Антенная система содержит генератор 1, настроечные реактивные сопротивления 5-8, ряд параллельных полых наружных металлических цилиндров 2-4, внутри которых проходят центральные проводники 15-17, верхние концы которых соединены с горизонтальными проводами 12-14, дополнительные металлические цилиндры 9-11, расположенные между каждым наружным металлическим цилиндром 2-4 и центральным проводником 15-17, и устройства настройки и фазирования (УНФ) 18 и 19. Каждый дополнительный металлический цилиндр 9-11 в совокупности с центральными проводниками 15-17, горизонтальными проводами 12-14 и наружными металлическими цилиндрами 2-4 образуют соответствующие излучатели 20-22, входами которых являются изолированные от земли нижние концы наружных металлических цилиндров, а выходами изолированные от земли нижние концы дополнительных цилиндров.

Верхний конец каждого дополнительного цилиндра соединен с верхним концом соответствующего наружного цилиндра, горизонтальные провода излучателей изолированы друг от друга, нижние концы внутренних проводников заземлены, генератор 1 подключен к входу первого излучателя, в каждом излучателе между его входом и выходом, а также параллельно выходу последнего излучателя включены настроечные реактивные сопротивления 5-8, вход каждого устройства фазирования соединен с выходом предыдущего излучателя, а выход с входом последующего излучателя.

Устройства 18 и 19 настройки и фазирования включают, например, удлиняющие или укорачивающие фазирующие элементы, выполненные на основе длинных линий или элементов со сосредоточенными параметрами, а также настроечные реактивные сопротивления, включенные последовательно с вышеуказанными элементами. Конструктивно данные элементы могут входить в состав фазирующих элементов.

Реактивные сопротивления 5-7 служат для компенсации входного сопротивления коаксиальных короткозамкнутых линий, образованных цилиндрами 2 и 9, 3 и 10, 4 и 11, и уменьшают влияние этих линий на работу антенной системы.

Ниже дано описание работы антенной системы из 3-х излучателей, однако все рассуждения распространяются и на систему из N излучателей.

Антенная система работает следующим образом.

Излучающий ток I1, создаваемый генератором 1, проходит по наружной поверхности наружного цилиндра 2, затекает внутрь цилиндра 9, попадает на потенциальную клемму УНФ 18 и через его входную цепь на землю. Далее путь тока следующий: земля центральный проводник 15 емкость горизонтального провода 12 земля. Рассматриваемый ток, пройдя через УНФ 18, с его выходных клемм попадает на вход второго излучателя, а с его выхода через УНФ 19 на вход третьего излучателя.

Таким образом, из вышеизложенного видно, что излучающий ток, затухая, проходит последовательно через все излучатели и наружные цилиндры 2-4. На чертеже видно, что все излучатели включены по схеме Брауна, когда между горизонтальными проводами и верхним концом излучателя включено реактивное сопротивление, равное по величине и противоположное по знаку емкостному сопротивлению горизонтальных проводов относительно земли. В описываемой антенне в качестве данного реактивного сопротивления используется входное сопротивление коаксиальной линии, образованной центральным проводником и внутренним цилиндром (на чертеже это поз. 9 и 15, 10 и 16, 11 и 17), и нагруженной на другом конце на входное сопротивление соответствующего устройства настройки и фазирования. В последнем излучателе 22 для этой цели служит реактивное сопротивление 8. В заданном режиме пучность излучающего тока в последнем излучателе находится на верхнем конце наружного цилиндра. При электрически коротких излучателях распределение тока по их поверхностям будет почти равномерным. Устройства настройки и фазирования производят трансформацию входного сопротивления каждого последующего излучающего элемента в такую величину, чтобы обеспечить пучность тока в верхней точке каждого предыдущего излучателя. Устройство настройки и фазирования также производит компенсацию фазового набега излучающего тока между входами соседних излучающих элементов, а также дополнительную компенсацию.

Сущность изобретения: параллельные излучатели 20 - 22 антенной системы состоят из наружных металлических цилиндров 2 - 4, центральных проводников 15 - 17, снабженных на верхних концах горизонтальными проводниками 12 - 14, и металлических цилиндров 9 - 11, расположенных между наружными металлическими цилиндрами и центральными проводниками. Верхние концы цилиндров 2 - 4 и цилиндров 9 - 11 соединены попарно между собой. Нижние концы цилиндров 2 - 4 и нижние концы цилиндров 9 - 11 изолированы от земли и являются соответственно входами и выходами излучателей. К входу первого излучателя 20 подключен генератор 1. Между излучателями включены устройства 18 и 19 настройки и фазирования. Между входом и выходом излучателей и параллельно выходу последнего излучателя 22 включены настроечные реактивные сопротивления 5 - 8. 1 ил

АНТЕННАЯ СИСТЕМА, содержащая генератор, настроечные реактивные сопротивления, ряд параллельных излучателей, каждый из которых состоит из наружного металлического цилиндра, внутри которого размещен центральный проводник, центральные проводники снабжены на верхнем конце горизонтальными проводниками, отличающаяся тем, что в каждый излучатель введен дополнительный металлический цилиндр, расположенный между наружным металлическим цилиндром и центральным проводником, причем верхние концы этих цилиндров соединены между собой, нижние концы наружных и дополнительных металлических цилиндров изолированы от земли и являются соответственно входами и выходами излучателей, нижние концы центральных проводников заземлены, горизонтальные проводники излучателей изолированы один от другого, введены устройства настройки и фазирования, вход каждого из которых соединен с выходом предыдущего излучателя, а выход - с входом последующего, генератор подключен к входу первого излучателя, а настроечные реактивные сопротивления включены между входом и выходом в каждом излучателе и параллельно выходу последнего.