АНТЕННА Российский патент 1998 года по МПК H01Q13/20 

Предлагаемую антенну можно применять для передачи или приема электромагнитных волн линейной поляризации, например для передачи одной из программ местного телевидения с горизонтальной поляризацией в диапазоне дециметровых волн (частотные каналы с 21-го по 60-й).

Известна антенна, представляющая собой металлическую круглую трубу, в стенке которой прорезано несколько щелей, параллельных ее оси [1, c. 419]. Синфазное питание щелей осуществляется коаксиальным кабелем, вводимым в полость трубы. Кабель ведется рядом с левыми кромками щелей, где его внешний проводник гальванически соединяется со стенкой трубы на протяжении щелей, а центральный проводник через отверстия во внешнем проводнике гальванически соединяется с правой кромкой щели. Длина отрезка кабеля, соединяющего соседние щели, равна длине волны в кабеле, что эквивалентно параллельному соединению входных сопротивлений щелей.

Для получения высокого коэффициента усиления (КУ) и хорошего согласования антенны с кабелем (малый КСВ) приходится пересоединять точки контактов кабеля с щелью (при подборе кабеля). Типовой кабель не всегда приемлем вследствие большого замедления волны в нем. Требуется согласовать заполнение кабеля с интервалом между щелями. Необходимо регулировать длину щелей путем распиливания их на концах или изготовления другой трубы с более короткими щелями. Такая медленная и дискретная регулировка не всегда приводит к успеху.

Трудно точно определить заранее резонансную длину щели, т.к. формула L = 3/4 λ из [1], где λ - длина волны (в воздухе), очень приближенная.

Кроме того, использование кабеля малого диаметра (по сравнению с диаметром трубы) дает дополнительные потери энергии.

Для уменьшения потерь применяется антенна, труба которой является внешним проводником коаксиальной линии питания. Один из методов питания щели у такой антенны показан на фиг. 14, 2b из книги [2] и на фиг. 87,с из книги [3] на с. 677. Рядом с щелью устанавливается штырь (зонд), не соединяющийся гальванически с центральным стержнем.

Целью изобретения является упрощение регулировки антенны.

Цель достигается ввинчиванием в металлический центральный стержень грибообразных емкостных зондов (штырей). Иначе говоря, емкостные штыри переносятся с внешнего проводника на центральный. Зонды снабжаются шляпками для увеличения емкости.

Шляпки зондов не касаются стенок трубы; связь с щелью осуществляется через емкость между шляпкой и одной из ее кромок. Стержень и труба образуют возбуждающую коаксиальную линию, которая закорачивается на расстоянии 3/4 λ - Δ выше середины самой верхней щели, а ниже нижнего конца нижней щели к линии присоединяется питающий коаксиальный кабель. О малой величине Δ , вызванной емкостью зонда, см. ниже. Зажим в точке закорачивания стержня допускает как азимутальный его поворот, так и смещение вдоль оси для регулировки связи. Кроме этого зажима имеется еще скользящий гальванический контакт между стержнем и проводником, соединенным с центральным проводником кабеля. Эти скользящие контакты после регулировки фиксируются контргайками или завариваются.

Получаются две степени свободы для регулировки связи между антенным резонатором (труба и щели) и возбуждающим резонатором (стержень и зонды). Кроме поворота и смещения стержня возможна еще третья регулировка - ввинчивание зондов для уменьшения связи, ее можно осуществить после разжатия зажима и изъятия стержня через нижний торец трубы.

Изоляционные шайбы из армированного фторопласта, центрирующие стержень в трубе, устанавливаются в узлах напряжения, поэтому их влияние на резонансное поле возбудителя очень слабое и не учитывается при расчете расстояния D между щелями (между зондами). Вследствие малой толщины шайб их влияние не учитывается и при расчете длины L щели, хотя они и перекрывают щели, но сильное ослабление влияния происходит за счет их смещения относительно середин щелей на λ/4 .

Емкостные зонды, располагаемые в пучности напряжения возбуждающей линии, влияют на ее поле и учитываются при расчете D. Как показал опыт, можно при расчете D не учитывать реакцию щели на емкостное сопротивление зонда. Емкость зонда представляется в виде двух слагаемых: емкость конденсатора между шляпкой зонда и стенкой трубы и емкость обратной поверхности шляпки, рассматриваемая как половина уединенной емкости диска [4, c. 244].

Возбудитель, состоящий из центрального стержня с зондами, введенный в трубу, может быть разбит на звенья. Звено возбудителя, состоящее из отрезка коаксиальной линии длиной D, равной расстоянию между зондами, имеет ту же резонансную частоту, что и весь возбудитель. В звено входит отрезок линии, нагруженной с обеих сторон на емкости, равные половине емкости зонда. Деля емкость нагрузки на погонную емкость линии, находим малое эквивалентное удлинение Δ с каждой стороны звена. Для получения резонанса длина D должна быть меньше длины волны на 2Δ , т.е.

где
ρ - волновое сопротивление линии (Ом);
d - диаметр шляпки зонда;
t - расстояние между шляпкой и внутренней поверхностью трубы.

Для расчета длины L щели сначала рассчитываем длину волны Λ в волноводе с бесконечно-длинной щелью, а затем принимаем L = Λ /2. Для расчета Λ используется соотношение

где
λ_t - длина волны (в воздухе), соответствующая частоте четвертьволнового поперечного резонанса (критическая частота [5, c. 271],
и соотношения
λ_t = 4nl_t,
где
- длина эквивалентной поперечной линии;
- коэффициент укорочения длины волны в этой линии, вызванный щелевой емкостью; d₀ - диаметр стержня; d₁ - внутренний диаметр трубы; δ - толщина кромок щели; щ - ширина щели, ε и ζ - проницаемость и толщина диэлектрика, закрывающего щель снаружи. Величина m= l_t/b представляет собой отношение длины поперечной линии к ее ширине, причем площадь l_t/b принимается равной площади поперечного сечения полости трубы за вычетом площади поперечного сечения стержня. Теория хорошо согласуется с экспериментом при выборе m = 6,6.

На чертеже показаны общий вид антенны с частичными разрезами и ее поперечное сечение, где 1 - труба, 2 - щели, 3 - стержень, 4 - грибообразный емкостный зонд; 5 - зажим для азимутального и осевого передвижения стержня, 6 - проводник, связывающий центральный проводник коаксиального кабеля со стержнем через скользящий контакт для азимутального и осевого передвижения, 7 - закрывающая диэлектрическая пластина, 8 - фланец для установки антенны на пьедестал, 9 - коаксиальный разъем.

Испытания макета антенны позволили убедиться в возможности быстрой и простой его регулировки. Затем была сделала антенна с шестью щелями для передатчика местного телевидения, работающего на частоте 634,5 МГц (41-й канал). Антенна также была быстро настроена.

Основные параметры антенны.

Длина (без пьедестала) по внутренней полости, мм - 3000
Диаметр трубы внутренний d₁, мм - 60
Диаметр трубы внешний d₂, мм - 70
Диаметр стержня d₀, мм - 20
Диаметр шляпки зонда d, мм - 18
Толщина кромок щели δ , мм - 3
Ширина щели щ, мм - 5
Расстояние между шляпкой зонда и внутренней поверхностью трубы t, мм - 3
Толщина пластины из армированного фторопласта ζ , мм - 2
Диэлектрическая проницаемость армированного фторопласта ε - 2,4
Длина щели L, мм - 343
Расстояние между соседними щелями D, мм - 454
Число щелей - 6
Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВ) - 2
Полоса пропускаемых частот (по КСВ=2), МГц - от 623 до 648
Коэффициент усиления в максимуме диаграммы направленности (КУ, ДН), дБ - 12
Ширина ДН в вертикальной плоскости по уровню минуса 3 дБ, градус - 10
Неравномерность ДН в горизонтальной плоскости, дБ - 2,5
Список литературы
1. Пистолькорс А.А. Антенны. М.: Связьиздат, 1947.

2. Фельд Я.Н., Бененсон Л.С. Антенно-фидерные устройства, часть 2, изд. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1959, с. 260-262, фиг. 14, 2b - прототип.

3. Справочник по радиотехнике. / Под ред. Смиренина Б. А. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1950, с. 677, фиг. 87c.

4. Щелкунов С.А., Фриис Г.Т. Антенны. М.: Советское радио, 1955.

5. Никольский В. В. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука, 1978.

Антенна относится к радиотехнике, к антенным решеткам из нескольких щелей, прорезанных в стенках металлической трубы параллельно оси, питаемых синфазно. Цель изобретения - ускорение и упрощение регулировки антенны. Цель достигается использованием питающей коаксиальной линии, наружным проводником которой служит трубка с излучающими щелями, а в центральный проводник, стержень, ввинчиваются грибкообразные зонды для емкостной связи с щелями, регулируемой вращением и смещением стержня. Скорость и успех регулировки существенно зависят от предлагаемого достаточно точного расчета интервала между соседними зондами (и щелями) с учетом влияния зонда и предлагаемого расчета длины щели. 1 ил.

Антенна, представляющая собой отрезок коаксиальной линии, содержащая центральный стержень, внешнюю трубу с продольными щелями, синфазно возбуждаемыми емкостными зондами, отличающаяся тем, что зонды с грибообразными шляпками ввинчены в центральный стержень, поворачиваемый и смещаемый вдоль оси трубы, причем расстояние D между зондами и между щелями и длина щели L вычисляются по формулам
D = λ - 2Δ,

_Δ=ρd2_{(1+8t/πd)960•t,}


где λ - длина волны в воздухе;
Δ - малое эквивалентное удлинение, получаемое делением половины емкости зонда на погонную емкость линии;
ρ - волновое сопротивление линии, Ом, образованной стержнем и трубкой;
d - диаметр шляпки зонда;
t - расстояние между шляпкой и внутренней поверхностью трубы;
n, l_t - коэффициент укорочения длины волны в эквивалентной поперечной линии и ее длина;
δ - толщина кромок щели;
щ - ширина щели;
ζ,ε - толщина и проницаемость диэлектрика, закрывающего щель;
m = 6,6;
d_o - диаметр стержня;
d₁ - внутренний диаметр трубы.