АНТЕННА Российский патент 1998 года по МПК H01Q11/00 

Изобретение можно использовать для передачи или приема электромагнитных волн фиксированных частот или узкополосных сигналов линейной поляризации.

Известна ромбическая антенна [1, с. 277; 2, с. 358], содержащая двухпроводную излучающую линию с резистором на одном конце, соответствующем максимуму диаграммы направленности, питаемая генератором или нагруженная на приемник на другом, соответствующем минимуму диаграммы. Ромбическая антенна является антенной прямого излучения, так как у нее направление основного излучения совпадает с направлением волны на излучающей линии.

Известна также малогабаритная антенна в виде короткого отрезка двухпроводной линии с резистором на конце, соответствующем минимуму диаграммы направленности, т. е. она является антенной обратного излучения. Такая антенна широко применяется в качестве направленного ответвителя, для чего ее размещают параллельно линии, от которой ответвляется часть мощности [1, с. 31 - 37].

Каждая из этих антенн содержит резистор, что обеспечивает апериодический режим. Обе антенны используются для работы с широкополосными сигналами.

Малогабаритная антенна обратного излучения типа направленного ответвителя используется иностранными фирмами для приема телевидения с применением усилителя высокой частоты и в качестве датчиков для измерения напряженности поля. В отличие от ромбической антенны она не очень критична к форме контура, образуемого двухпроводной излучающей линией, и ее диаграмма направленности значительно шире. При разных формах контура ее диаграмма мало отличается от
F = (1+cosν)/2, ,
при условии
l≪λ/2, D≪l, ,
где
ν - угол, отсчитываемый от оси резистор-генератор, l - длина антенны (от резистора к генератору), λ - длина волны, D - среднее расстояние между проводами излучающей линии. Фактически такая антенна есть физическая реализация источника Гюйгенса.

В случае ромбической формы контура двухпроводной линии излучения антенна обратного излучения отличается от ромбической только размерами. Длина антенны обратного излучения мала (l<< λ /2), а длина антенны прямого излучения велика (1>> λ /2). При одинаковых размерах получается фактически одно и то же физическое устройство, которое в области низких частот работает как малогабаритная антенна обратного излучения, а в области высоких - как большая ромбическая антенна прямого излучения. На частоте, на которой
l ≈ λ/2, ,
происходит изменение направленности основного излучения на обратное (инверсия диаграммы направленности). На частотах ниже частоты инверсии максимум диаграммы направленности расположен со стороны входа (приемник, генератор), а на частотах выше частоты инверсии - со стороны резистора.

Возможно увеличить коэффициент полезного действия (КПД) антенны, если мощность, поглощаемую в резисторе, вернуть на ее вход при помощи линии обратной связи (ЛОС) для сложения с мощностью, поступающей от генератора. Такая возможность реализована в большой ромбической антенне прямого излучения при помощи второй схемы Неймана М.С. [2, с. 351; 3, с. 312]. Поскольку в большой антенне поглощается в резисторе лишь малая доля мощности, то применение ЛОС не дает значительного увеличения КПД.

Предлагается применить ЛОС в антенне обратного излучения, у которой вследствие малых ее размеров и слабого излучения, большая часть мощности поглощается в резисторе, и применение ЛОС дает существенное увеличение КПД.

Введение ЛОС переводит антенну из апериодического режима в резонансный, что существенно увеличивает коэффициент усиления, но приводит к узкополосности, поэтому антенну можно применять только для узкополосных сигналов.

Фазовый набег на замкнутом пути, включающем излучающую линию (ИЛ) и ЛОС должен быть кратен 2π (условие квантования). Выбрав минимальный набег 2π , приходя к соотношению
l′+l″ = λ, ,
где
l' - длина ИЛ (одного рукава антенны), l'' - длина ЛОС (одного провода). При условии d<<D<<l, где d - расстояние между проводами ЛОС, получается l ≈ 0,5 λ , т.е. резонансная частота антенны близка к частоте инверсии диаграммы направленности, что неприемлемо.

Необходимо, чтобы резонансная частота попала в диапазон, в котором антенна работает в режиме обратного излучения. Можно уменьшить фазовый набег, взяв его равным π , с одновременным изменением полярности в ЛОС (скручивание на полоборота, 180^o). Это дает
l′+l″ = λ/2, ,
и получается l = 0,25 λ , т.е. резонансная частота примерно вдвое ниже частоты инверсии диаграммы направленности, что приемлемо.

Возвращаемое по ЛОС на вход антенны напряжение должно иметь ту амплитуду, что и у генератора. Вследствие излучения и потерь амплитуда возвращаемого напряжения составляет exp (-α) относительно амплитуды генератора, где α - затухание на пути l'. Для выравнивания амплитуд необходим повышающий трансформатор с коэффициентом трансформации n = exp (α) . Отношение согласуемых трансформатором сопротивлений должно составлять r², т.е. exp (2α) . Необходимо согласовать сопротивления ρ и ρ exp(2α) , где ρ - волновое сопротивление ИЛ или ЛОС (они одинаковы).

Такой трансформатор можно рассчитать по формуле из [4, с. 160]. Он должен содержать последовательно включенный конденсатор емкостью и параллельно включенную катушку с индуктивностью L_т= C_тρ^eexp(2α), , где ω = 2πf, , f = v/ λ , v = 3•10⁸ (м/с). Поскольку ЛОС - симметричная двухпроводная линия, то необходимо включить два конденсатора емкостью 2C_т (по одному в каждый провод). Индуктивность L_т, оказавшуюся включенной параллельно генератору, можно изъять, так как она не влияет на формирование диаграммы направленности.

После изъятия L_т генератор испытывает нагрузку с сопротивлением или проводимостью Y = 1/Z = (1-exp(-2α)(/ρ-1/iωL_т. . Реактивная часть сопротивления компенсируется индуктивностью , включенной последовательно с генератором. Нагрузка для генератора становится равной ρ. .

Трансформатор вносит небольшой отрицательный фазовый набег, поэтому общую длину замкнутого пути надо немного увеличить: l′+l″ = λ/2+(λ/2π)arccos(exp(-α)). .

Затухание α, необходимое для вычисления рассмотренных величин, можно найти по измеренной добротности Q антенны из формулы α = π/(2Q) либо из следующего приближенного расчета. Сначала находим коэффициент усиления антенны в апериодическом режиме (с резистором R = ρ ) по формуле G = 120π^eh^e/(λ^eρ), , где h = 2D sin (2π1/λ) - действующая длина антенны, ρ = 120•ln (4D/ш), ш - ширина ленты рукава антенны (при расчете h считаем контур антенны прямоугольным с площадью Dl). Вычисляем КПД в апериодическом режиме η = G/3, где 3 - приближенное значение коэффициента направленного действия. Из соотношения 1 - η = exp (-2α) находим α = 1/2ln(1/(1-η)). .

Поскольку коэффициент усиления пропорционален площади, охватываемой контуром ИЛ, то наиболее выгоден прямоугольный контур при данной площади и данной длине l. Но в прямоугольном контуре волна тока отражается от углов излома лент, что ухудшает направленность антенны (отношение поля излучения вперед к полю излучения назад снижается). Поэтому желателен контур в виде эллипса или овала [5, c. 106].

Магнитное поле пронизывающее контур перпендикулярно его плоскости, должно слабо возмущаться лентами, должно идти параллельно поверхности лент в поперечном направлении. Перпендикуляры к поверхности лент в каждой их точке должны быть параллельными плоскости контура.

Для уменьшения отражения волны тока, бегущей вдоль лент, ширина лент должна уменьшаться к их концам, где они сходятся к ЛОС, чтобы обеспечить равенство волновых сопротивлений ИЛ и ЛОС. Ширина лент (ш) должна быть пропорциональна уменьшающемуся расстоянию между лентами (D). Радиус r провода ЛОС должен быть согласован с шириной ленты на ее конце, т.е. r = ш/4.

Из формулы для отношения полей вперед/назад, выведенной для прямоугольного контура
sin{π[n(l+D/2)+l]/λ}/sin{π[n(l+D/2)-l]/λ}, ,
где
n - коэффициент укорочения волны, следует, что для получения большого отношения необходимо выполнять условия
l<0,25λ, D<0,5l. .

Для увеличения коэффициента усиления можно увеличить поперечный размер, взяв D≈l и выбрав значение n = l/(l + D/2), соответствующее нулевому излучению назад. Поскольку n<1, то скорость волны тока вдоль ленты должна быть увеличена по отношению к скорости вдоль гладкой ленты. Увеличения скорости можно достичь, включив последовательно в ленту с равными интервалами несколько одинаковых конденсаторов. Общую емкость всех конденсаторов, включенных последовательно в одну ленту, можно найти по n и ρ из формулы
C = 2v/[l′ω²ρ(1-n²)]. .

Конструкция ленты с конденсаторами показана в [6, рис. 5]. Такая же емкость включена и во вторую ленту.

На фиг. 1 показана антенна обратного излучения, работающая в апериодическом режиме, где 1 - двухпроводная излучающая линия из металлической ленты; 2 - резистор; 3 - поток мощности, идущий от генератора к резистору; 4 - главный поток излучения; 5, 6, 7 - побочные потоки.

На фиг. 2 показана предлагаемая антенна обратного излучения, работающая в резонансном режиме, где 1 - двухпроводная излучающая линия из металлической ленты; 2 - провод линии обратной связи; 3 - трансформатор с коэффициентом трансформации напряжения 1 : exp (α) ; 4 - конденсаторы в ленте; 5 - замкнутые потоки; 6 - главный поток излучения; 7, 8, 9 - побочные потоки; ≈ - вход антенны.

Источники информации
1. Айзенберг Г.З., Белоусов С.П., Журбенко Э.М., Клигер Г.А., Курашов А. Г. Коротковолновые антенны. - М.: Радио и связь, 1985.

2. Надененко С.Н. Антенны. - М.: Связьиздат, 1959.

3. Никольский В.В. Антенны. - М.: Связь, 1966.

4. Справочник по радиотехнике /Под ред. Б.А. Смиренина. - М. - Л., 1950.

5. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. - М.: ГИТТЛ, 1953.

6. Федянович В.И. Радиотехника и электроника, 1992, т. 37, N 7, с. 1180.

Изобретение относится к радиотехнике, к антеннам типа проволочной ромбической, в которой с целью существенного уменьшения энергетических потерь резистор изъят, а поглощавшаяся в нем мощность возвращается по линии обратной связи (ЛОС) через скрутку (инверсия полярности). Вследствие малой длины антенны (1 << λ / 2) максимум диаграммы направленности расположен со стороны входа, а не со стороны резистора, как у большой антенны (1 > λ / 2). Вдоль проводов антенны (ПА) и ЛОС возникает замкнутый луч потока мощности, от которого отщепляются кривые лучи, переходящие в прямые радиальные в дальней зоне. Полученная антенна, работающая в режиме кольцевого резонатора, узкополосна. С целью существенного увеличения широколосности изымается ЛОС, а выход антенны через скрутку присоединяется ко второй U-образной антенны больших размеров, образующей вместе с первой локонообразную кривую (по оси проводников) чтобы максимумы излучений обеих антенн совпадали. Для улучшения направленности в ПА могут включаться периодически часто конденсаторы. Концы ПА, заворачиваясь во внешнюю сторону от раскрыва, могут переходить в цилиндрический экран. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Антенна, содержащая двухпроводную излучающую линию, выход которой соединен с входом через двухпроводную линию обратной связи, скрученную на 180^o, с тем же волновым сопротивлением, что и у излучающей линии, отличающаяся тем, что длина одного проводника излучающей линии, сложенная с длиной линии обратной связи, составляет 0,5 длины волны, а коэффициент трансформации трансформатора, включенного в линию обратной связи, составляет exp(α), где α - затухание напряжения на двухпроводной излучающей линии. 2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что в провода излучающей линии включены конденсаторы, общая емкость которых при последовательном обходе обоих проводников равна
v/[l′•ω²•ρ(1-n²)],
где v = 3 • 10⁸ м/с;
l' - длина одного проводника;
ω - угловая частота;
ρ - волновое сопротивление;
n = l/l';
l - расстояние между входом и выходом. 3. Антенна по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что провода излучающей линии выполнены из лент, перпендикулярных образуемому ими контуру.