ИЗЛУЧАЮЩИЙ КОАКСИАЛЬНЫЙ КАБЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H01Q13/22 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к области излучающих устройств вдоль пути распространения направленной волны и, в частности предлагаемый излучающий коаксиальный кабель может быть использован в системах радиосвязи, оборудуемых в тоннелях, шахтах, административных зданиях и других многосекционных замкнутых сооружениях.

Известны излучающие коаксиальные кабели (например, заявки Японии N 5612045, опублик. 03.08.1981; N 5821849, опублик. 04.05.1983).

Известные аналоги представляют собой коаксиальные направляющие системы с излучающими размерами в экранной оболочке.

Недостатком аналогов является слабая связь распространяющейся в кабеле электромагнитной волны (ЭВМ) с излучающими разрезами. Для достижения требуемой энергетики канала необходимы значительные уровни мощности возбуждения. Такие кабели обеспечивают работу с приемлемой эффективностью только на одной частоте.

Известны также излучающие коаксиальные кабели, обеспечивающие более высокую эффективность излучения (заявка N 94003336 от 10.01.94). Это достигается введением в излучающий разрез ленточного проводника, образующего совместно с излучающим разрезом резонансный излучатель.

Однако данный кабель работает эффективно только на одной частоте.

Наиболее близким, по своей технической сущности к заявляемому является излучающий коаксиальный кабель (заявка N 94009031 от 15.03.94).

Излучающий коаксиальный кабель-прототип состоит из центрального проводника, размещенного соосно внутри экранной оболочки с продольно ориентированными прямоугольными излучающими разрезами. В раскрыв каждого разреза установлены ленточный проводник и металлическая перемычка, ориентированные соответственно параллельно и ортогонально большим кромкам разреза. Металлическая перемычка установлена с возможностью ее перемещения вдоль продольной оси излучающего разреза. При таком исполнении достигается одновременная и независимая эффективная работа излучающего разреза на двух рабочих частотах, а путем перемещения металлической перемычки обеспечивается перестройка системы на другие рабочие частоты.

Недостатком прототипа является отсутствие возможности изменения одной из рабочих частот без изменения другой. Т.е. в данном кабеле обеспечивается только перестройка одновременно на две новые частоты.

Целью технического решения является создание коаксиального излучающего кабеля, обеспечивающего двухчастотную работу системы с возможностью независимой перестройки рабочих частот.

Поставленная цель достигается тем, что в известном излучающем коаксиальном кабеле, включающем центральный проводник, размещенный соосно внутри экранной оболочки с продольно ориентированными прямоугольными излучающими разрезами, в раскрыве каждого из которых установлен ленточный проводник и металлическая перемычка, ориентированные соответственно параллельно и ортогонально большим кромкам излучающего разреза, причем металлическая перемычка электрически связана с большими кромками излучающего разреза и ленточным проводником, дополнительно на часть раскрыва каждого излучающего разреза установлена металлическая пластина на диэлектрической подложке (МПДП). МПДП установлена либо на одном периферийном конце излучающего разреза, либо, выполненная из двух частей, размещена на обоих концах излучающего разреза.

Металлическая пластина на диэлектрической подложке и металлическая перемычка установлены с возможностью их перемещения вдоль продольной оси излучающего разреза. В качестве одного из вариантов металлическая пластина на диэлектрической подложке и металлическая перемычка реализованы в виде гаек, навинченных на резьбу, выполненную на внешних поверхностях экранной оболочки и ленточного проводника.

Длина каждого излучающего разреза L_p выбрана из условия L_p= (0,2...0,3)(λ_k1+λ_k2)+d_n, где λ_k1 и λ_k2 длины первой и второй рабочих волн в кабеле; d_n ширина металлической перемычки. Ширина излучающего разреза составляет (0,2 0,3)L_p. Длина и ширина ленточного проводника составляют соответственно (0.8 0.9) и (0.2 0,3) от длины и ширины излучающего разреза. Ширина металлической пластины на диэлектрической подложке выбрана в пределах (0,25 0,35)L_p, а ее высота составляет не менее ширины излучающего разреза.

При таком исполнении перемещением вдоль оси металлической перемычки достигается одновременная перестройка на две рабочие частоты. В тоже время перемещением металлической перемычки на диэлектрической подложке обеспечивается перестройка только той части излучающего разреза, в пределах которой установлена перемещающаяся металлическая перемычка на диэлектрической подложке. Следовательно, при таком построении излучающего коаксиального кабеля реализуется возможность независимой перестройки одной или двух рабочих частот.

На фиг.1 изображен излучающий коаксиальный кабель, общий вид; на фиг.2 - фрагменты излучающего коаксиального кабеля с примерами исполнения металлической пластины на диэлектрической подложке; на фиг.3 конструкция металлической пластины на диэлектрической подложке; на фиг.4, 5 варианты реализации фрагмента излучающего коаксиального кабеля; на фиг. 6 поясняется работа устройства; на фиг. 7 эквивалентная схема излучающего разреза; на фиг.8 график, поясняющий работу устройства.

Излучающий коаксиальный кабель (фиг.1) состоит из центрального проводника 1 радиусом r, расположенного соосно внутри экранной оболочки 2 с внутренним радиусом R. Вдоль продольной оси излучающего коаксиального кабеля (o-o') в экранной оболочке 2 выполнены прямоугольные излучающие разрезы 3 длиной L_p и шириной B_p (фиг.2). Продольные оси излучающего разреза ориентированы вдоль оси излучающего коаксиального кабеля (o-o'). В раскрыв каждого излучающего разреза 3 установлены ленточный проводник 4 длиной L_p и шириной B_p и металлическая перемычка 5 шириной d_п. Металлическая перемычка 5 ориентирована перпендикулярно к большим кромкам излучающего разреза 3 и имеет с ними электрический контакт. Металлическая перемычка 5 делит излучающий разрез 3 на две части l₁ и l₂. Над частью излучающего разреза 3 установлена металлическая пластина 6 на диэлектрической подложке 7 толщиной Δh шириной L_пл и высотой H_пл (фиг. 2, 3). Металлическая пластина на диэлектрической подложке 6 установлена на периферийной части излучающего разреза 3. Металлическая пластина на диэлектрической подложке 6 (фиг.2а) размещена полностью на одном конце излучающего разреза 3.

Металлическая пластина на диэлектрической подложке 6 (фиг.2б) выполнена из двух половин, размещенных на двух концах излучающего разреза 3. Металлическая перемычка 5 также как и металлическая пластина на диэлектрической подложке 6 установлены с возможностью их перемещения вдоль оси o-o' кабеля. Реализация такой возможности показана на фиг. 4, 5. Металлическая перемычка 5 и металлическая пластина на диэлектрической подложке 6 исполнены в виде гаек, навинченных на резьбу 8, выполненную на внешних поверхностях экранной оболочки 2 и ленточного проводника 4. Для фиксации ленточного проводника 4 его, в частности можно приклеить на диэлектрик 9, заполняющий внутренний объем экранной оболочки 2 (фиг.4). Возможны и другие варианты крепления ленточного проводника 4 в раскрыве излучающего разреза 3.

На фиг. 4 показан вариант исполнения фрагмента излучающего коаксиального кабеля с излучающим разрезом 3 в виде отдельной секции, снабженной на концах высокочастотными разъемами 10. Металлическая перемычка 5 и металлическая пластина на диэлектрической подложке 6 исполнены в виде гаек навинченных на резьбу 8. Гайка 6 не имеет электрического контакта с экранной оболочкой 2 и ленточным проводником 4 за счет диэлектрической втулки 7 с резьбой (фиг.4), выполняющей роль диэлектрической подложки.

На фиг. 5 показан аналогичный вариант исполнения секции кабеля с излучающим разрезом. Отличие заключается в том, что металлическая пластина на диэлектрической подложке 6 выполнена из двух половин и в виде гаек, навинченных на двух концах излучающего разреза. Такие секции монтируют в сечении кабеля, где необходимо организовать связь.

Заявленное устройство работает следующим образом.

При подключении излучающего кабеля к генератору внутри кабеля возбуждается Т-волна. При этом в зазоре излучающего разреза протекает магнитный ток i_м, амплитуда которого вдоль кромок излучающего разреза 3 зависит от длины рабочей волны. При возбуждении в фидере колебаний с длиной волны λ_k1 и установке металлической перемычки 5 так, чтобы l ≃ 0,25λ_k1 и l₁>l₂ (фиг.6) часть излучающего разреза длиной l₁ окажется близкой к резонансной и будет эффективно излучать, что иллюстрируется эпюрами распределения амплитуд магнитного тока i_м (фиг.6а). Одновременно участок излучающего разреза длиной l₂ оказывается меньше резонансной длины и поэтому практически не возбуждается. При возбуждении в кабеле рабочей волны λ_k2 и соблюдении условий l₂≃ 0,25λ_k2 и l₂<l₁ происходят обратные процессы; эффективно возбуждается участок излучающего разреза длиной l₂ и практически не излучает участок l₁ (фиг.6б).

Процесс перестройки излучающего кабеля можно уяснить из рассмотрения эквивалентной схемы одного из излучающих разрезов (фиг.7).

Излучающий разрез представляет собой четырехполюсник включающий внутренние проводимости вносимые во внутреннюю область кабеля соответственно участком разреза l₁ и l₂ и их взаимную проводимость Y₁₂. Полная проводимость излучения каждого из участков Y₁₁ + Y₁₂(Y₂₂ + Y₁₂) вносится в четырехполюсник с некоторыми коэффициентами трансформации N₁(N₂), зависящими от соотношения геометрических размеров соответствующего участка излучающего разреза и ленточного проводника. Кроме того в четырехполюсник вносится емкостное сопротивление, обусловленное емкостью C_п металлической пластины на диэлектрической подложке 6. Очевидно, что величина C_п зависит от степени закрытия металлической пластины на диэлектрической подложке излучающего разреза. Перемещение металлической пластины на диэлектрической подложке эквивалентно изменению C_п. Одновременно смена положения металлической перемычки 5 автоматически изменяет коэффициент трансформации N₁(N₂).

Таким образом, при наличии перемещающихся вдоль оси кабеля металлической перемычки и металлической пластины на диэлектрической подложке 6 обеспечивается независимая перестройка участков излучающего разреза на новые частоты. Отмеченное поясняется резонансными характеристиками первого и второго участков излучающего разреза на частотной оси (фиг. 8).

На фиг. 8а показано положение резонансных кривых при первоначальной настройке участков на частоты f₀₁ и f₀₂. При перестройке участка l₂ на новую, более высокую частоту с помощью смещения металлической перемычки 5 вправо (фиг.2а) одновременно сместится влево на частотной оси резонансная кривая первого участка l₁ и ее новая резонансная частота f₀₁ будет меньше первоначальной f₀₁. "Возвратить" резонансную кривую участка l₁ в первоначальное положение можно увеличив вносимую емкость C_п смещением вправо металлической пластины на диэлектрической подложке (фиг.2а). Это приводит к повышению резонансной частоты первого участка, т.е. восстанавливается ее первоначальное значение f₀₁ (фиг. 8в). Снижение резонансной частоты первого участка l₁ до значения при сохранении резонансной частоты второго участка f₀₂ (фиг. 8г). Можно достигнуть смещением влево металлической пластины на диэлектрической подложке 6 (фиг.2а). При этом вносимая емкость металлической пластины на диэлектрической подложке 6 уменьшается, резонансная частота снижается. Так как положение металлической перемычки остается в этом случае неизменным, то частота второго участка остается также неизменной.

Из рассмотренной работы следует вывод, что для независимой перестройки участков излучающего разреза в принципе достаточно иметь металлическую пластину на диэлектрической подложке только на одном конце излучающего разреза и металлическую перемычку с возможностью перемещения вдоль оси кабеля (фиг. 2а, 4). Однако такая реализация металлической пластины на диэлектрической подложке потребует при необходимости перестройки участка l₁, перемещения не только металлической перемычки 5, но и металлической пластины на диэлектрической подложке 6. Этот недостаток устраняется полностью при размещении металлических пластин на диэлектрических подложках на двух концах излучающего разреза (фиг. 2б, 5). В данном случае металлическую перемычку 5 перемещают, когда требуется одновременная перестройка участков, а металлические пластины на диэлектрической подложке перемещают при необходимости независимой перестройки одного из участков или для более точной установки частот после перемещения металлической перемычки 5.

При использовании устройства, поставленная цель достигается без ущерба для эффективности излучения, если соблюдать указанные выше соотношения элементов конструкции излучающего кабеля.

Например, при необходимости одновременной работы на двух частотах 400 МГц и 600 МГц и использовании кабеля с диэлектриком, имеющим относительную диэлектрическую проницаемость ε = 4 имеем λ_k1= 0,375 м; λ_k2= 0,25 м.. Если из конструктивных соображений принять d_п 5 мм, тогда при учете минимальных значений указанных соотношений размеры элементов конструкции составят, мм: L_р 130; B_р 26; L_пр 104; B_пр 5,2; L_пл 32,5; H_пл>26; l₁ 75; l₂ 50;
при учете максимальных значений указанных соотношений, размеры элементов конструкции составляют, мм: L_р 193; B_р 58; L_пр 173; B_пр 17,4; L_пл 32,5; H_пл>26; l₁ 113; l₂ 75;
Оптимальными следует считать размеры элементов, определяемые средними значениями указанных соотношений, мм: L_р 156; B_р 39; L_пр 132; B_пр 9,75; L_пл 47; H_пл>39; l₁ 93,5; l₂ 62,5.

Толщина Δh диэлектрической подложки 7 и диэлектрическая проницаемость материала из которого она выполнена в общем случае влияют на величину вносимой емкости C_п. Степень этого влияния может быть оценена по известным формулам (Иоссель Ю. Я. Кочанов Э.С. Струнский М.Г. Расчет электрической емкости. Л. Энергоиздат, 1981).

В процессе исследования установлено, что величину Δh целесообразно выбирать в пределах (1 3) мм, а материал для подложки с относительной диэлектрической проницаемостью 2 4. При этом достигаются приемлемые эксплуатационные характеристики, технологичность при производстве и незначительные отклонения параметров при соблюдении указанных характеристик подложки.

Описанная схема излучающего коаксиального кабеля обеспечивает его работу на двух частотах и независимую перестройку на другие частоты любого из каналов.

Использование: изобретение относится к области излучающих устройств вдоль пути распространения направленной волны и может быть использовано в системах радиосвязи, оборудуемых в тоннелях, шахтах, офисах. Сущность изобретения: создание излучающего коаксиального кабеля, обеспечивающего независимую двухчастотную работу и независимую возможность перестройки рабочих частот. Излучающий коаксиальный кабель состоит из центрального проводника 1, размещенного соосно внутри экранной оболочки 2 с прямоугольными излучающими разрезами 3. В раскрыв каждого излучающего разреза установлен ленточный проводник 4 и металлическая перемычка 5. На часть раскрыва излучающего разреза установлена металлическая пластина с диэлектрической подложкой 6. Независимая перестройка кабеля достигается перемещением вдоль оси металлической перемычки 5 и металлической пластины с диэлектрической подложкой 6. Приведены соотношения геометрических размеров элементов конструкции и варианты их исполнения. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Излучающий коаксиальный кабель, содержащий экранную оболочку с прямоугольными излучающими разрезами и соосно установленный в ней центральный проводник, отличающийся тем, что излучающие разрезы большими осями ориентированы параллельно оси излучающего коаксиального кабеля, в раскрыв каждого излучающего разреза установлены ленточный проводник и металлическая перемычка, ориентированные соответственно параллельно и ортогонально большим кромкам излучающего разреза, при этом металлическая перемычка электрически соединена с большими кромками излучающего разреза и ленточным проводником, а на часть раскрыва каждого излучающего разреза установлена металлическая пластина на диэлектрической подложке. 2. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что металлическая пластина на диэлектрической подложке установлена на одном из периферийных участков излучающего разреза. 3. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что металлическая пластина на диэлектрической подложке выполнена из двух частей, установленных на периферийных участках раскрыва каждого излучающего разреза. 4. Кабель по пп. 1 или 2 и 3, отличающийся тем, что длина каждого излучающего разреза L_р выбрана из условия

где λ_к1 длина первой рабочей волны в кабеле;
λ_к2 длина второй рабочей волны в кабеле;
d_п ширина металлической перемычки,
а его ширина составляет (0,2 0,3)L_p, причем длина и ширина ленточного проводника составляет соответственно 0,8 0,9 и 0,2 0,3 длины и ширины излучающего разреза, ширина металлической пластины на диэлектрической подложке выбрана в пределах (0,25 0,35) L_p, а ее высота составляет не менее ширины излучающего разреза. 5. Кабель по пп. 1 или 2 4, отличающийся тем, что металлическая пластина на диэлектрическогой подложке установлена с возможностью ее перемещения вдоль продольной оси излучающего разреза. 6. Кабель по пп.1 или 2 5, отличающийся тем, что металлическая пластина на диэлектрической подложке выполнена в виде гайки, навинченной на резьбу, выполненную на внешних поверхностях экранной оболочки.