УМЕНЬШЕНИЕ ДЛИНЫ ПЕРВИЧНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ Российский патент 1999 года по МПК H01Q1/40 

Изобретение относится к технике излучения радиоволн в диапазонах от сантиметровых волн (СМВ) до декаметровых и частично гектометровых волн, предназначено для использования во многих радиосистемах.

Известны первичные излучатели, в частности штыревые антенны - заземленные вертикальные вибраторы. Они излучают радиоволны эффективно, если длина (высота)l штыря больше или равна 0,2 λ - длины волны свободного пространства (например, [1] ). Поэтому на подвижных объектах (кораблях, судах, автомобилях и т.п.) первичный излучатель (антенна) в диапазонах декаметровых и начального участка гектометровых волн должен иметь высоту порядка десятков метров. Это громоздкое и технически сложное сооружение для подвижного объекта. Велики габариты, необходимы большие площади на земле для антенн декаметровых волн. На дециметровых волнах (ДМВ) и СМВ желательны малые размеры первичных облучателей зеркальных антенн. Поэтому в радиотехнике многие десятилетия стоит задача уменьшения длины (высоты) первичного излучателя при сохранении его эффективности.

Целью настоящего изобретения является уменьшение длины l (высоты) первичного излучателя. Длины известной антенны (штыревой) и заявляемой сравниваются путем измерения их длин вблизи первого резонанса по методу наводимых электродвижущих сил (ЭДС), когда входное сопротивление Z_A = R_Арез + jX_А = R_Арез + j21 Ом. В классике [2] R_Арез = 36,5 Ом, в нашем случае величину R_Арез определяет эксперимент при условии, что X_А = 21 Ом.

В экспериментах указанная цель достигалась тем, что штыревая антенна (центральный медный цилиндрический провод) заключалась в полиэтиленовую оболочку почти конической формы (модели заявленных излучателей на фиг. 1 ... 5 вверху слева). На торце конуса к центральному проводу припаян медный диск. Диаметр диска равен или слегка больше диаметра конуса. В некоторых моделях есть промежуточные медные диски, тоже припаянные к центральному проводу. Провод завершается штеккером, который вставляется в гнездо измерительной линии. Штеккер не участвует в излучении, так как расположен под плоским алюминиевым листом - "идеальным" экраном. Модели показаны в разрезе, размеры в миллиметрах.

На фиг. 6 (вверху слева) представлена модель известной штыревой антенны, которая длиннее заявляемых примерно в 1,6 раза.

Параметры моделей антенн получены экспериментально на измерительной линии P1-17 с генератором Г4-37А по методике [3] в диапазоне ДМВ (450 ... 1150 МГц, λ = 667 ... 261 мм). Результаты измерений параметров заявляемых антенн и эквивалентной (известной) штыревой антенны представлены на фиг. 1 ... 6 в виде графиков. Приборные точки входных активных сопротивлений R_А обозначены •, входных реактивных сопротивлений X_А обозначены ° , коэффициента бегущей волны K_б.в обозначены x.

Основой уменьшения длины (высоты) первичного излучателя является заключение проводника с высокочастотным (ВЧ) током в магнитодиэлектрическую оболочку с увеличенными относительными проницаемостями: диэлектрической ε и магнитной μ при малых потерях на ВЧ. Оболочка замедляет скорость распространения электромагнитной волны, но создает отражение потока вектора Умова-Пойнтинга на поверхности S раздела сред оболочка - свободное пространство (воздух). Успех в работе антенны определяется в значительной мере комплексом мер, снижающих отражение.

Впервые заключил цилиндрический проводник с током в цилиндрическую магнитодиэлектрическую оболочку с большой Г.Ч. Райт [5]. На этой простейшей конструкции в режиме радиоприема увеличилась ЭДС в 8 раз на частоте 683 МГц по сравнению с такой же антенной без оболочки. Но измерение лишь одного параметра не позволяет даже оценить минимально необходимый параметр R_F (сопротивление излучения) и качество антенны ([4], с. 229).

Конструкцию Райта полагаем прототипом заявленных антенн.

Укажем меры по улучшению параметров излучения моделей заявленных антенн.

При цилиндрической форме центрального провода антенны оболочка имеет форму конуса, его вершина обращена к питающему коаксиальному кабелю. Плоское основание (торец) конической оболочки завершает медный диск, припаянный к центральному проводу. Видимо, коническая оболочка вместе с торцевым диском, по сравнению с цилиндрической оболочкой, увеличивает составляющую электрического поля E, параллельную поверхности S раздела сред, увеличивает долю потока вектора Умова-Пойнтинга, пересекающего поверхность S при более остром угле падения; растет доля излученной мощности. При конической оболочке улучшается согласование коаксиального кабеля с антенной, уменьшается масса изделия.

Эксперимент с цилиндрической оболочкой дал существенно худшие параметры излучения. А цилиндр без торцевого медного диска, припаянного к центральному проводу (так у Райта), почти не излучает на нижних частотах нашего диапазона.

Доля потока вектора Умова-Пойнтинга, пересекающего поверхность S при более остром угле, увеличивается, если боковую поверхность идеального конуса сделать вогнутой к продольной оси антенны (фиг. 2, 3, 4, 5).

В ряде заявленных моделей используются промежуточные достаточно частые медные диски, припаянные к центральному проводу и перпендикулярные ему (постоянные расстояния между дисками равны или меньше 0,14 высоты провода). Видимо, диски уменьшают свободные расстояния в оболочке, при которых растет вероятность полного внутреннего отражения, увеличивают составляющую поля E, параллельную поверхности S оболочки (особенно вогнутой), а линии магнитного поля H параллельны поверхности круглой оболочки всегда (по первому уравнению Максвелла). Поэтому поток вектора Умова-Пойнтинга пересекает поверхность S почти перпендикулярно, что уменьшает отражение.

Положительный эффект от особо частых дисков (фиг. 4) проявляется сильнее на верхних частотах диапазона, именно здесь больше R_б.в., чем в модели без дисков (фиг. 2). А на нижних частотах линии поля E достаточно параллельны поверхности S за счет торцевого медного диска.

Кроме того, частые диски увеличивают замедление, что соответствует уменьшению длины заявленного излучателя.

Увеличенный диаметр торцевого диска (до 27 мм, фиг. 2, 5) увеличивает действующую высоту антенны и замедление. Это заметно улучшает параметры антенн на нижних частотах (до первого резонанса). На верхних частотах нет полезного эффекта от увеличенного диска.

В модели фиг. 1 торцевой диск не увеличен, нет дисков в центральной части конуса, конус без прогиба. Поэтому замедление уменьшилось до 1,44 и наименьший K_б.в на нижних частотах. Но сопротивления R_А на нижних частотах сравнительно большие, видимо, за счет более тонкого центрального провода (1,3 мм вместо обычного 2,73).

Сравним подробнее параметры заявленной лучшей (по работе на нижних частотах) модели фиг. 5 и модели известной штыревой антенны фиг. 6, которая длиннее заявленной в 1,6 раза. На нижних частотах (450 - 500 МГц) K_б.в модели заявленной антенны больше K_б.в модели штыревой, поэтому большие R_А штыревой антенны "ухудшаются" ее большими X_А. Следовательно, главные параметры антенн равносильны. Вблизи резонанса (≈ 640 МГц) реактивное сопротивление X_А меньше активного сопротивления R_Арез. Так как в нашей измерительной линии Р1-17 волновое сопротивление ρ = 50 Ом, то сопротивление штыревой антенны вблизи резонанса R_Арез = 44,7 Ом оказалось близким к ρ измерительной линии; получили сравнительно большой K_б.в = 0,76. У заявленной антенны R_Арез = 31,4 Ом, далекое от ρ измерительной линии, меньше K_б.в = 0,54. Если бы линия имела ρ = 35 Ом, у заявленной антенны был бы тоже большой K_б.в, близкий к 0,76. На верхних частях (750 - 1150 МГц) активные и реактивные составляющие сопротивлений обеих антенн имеют примерно одинаковый порядок. А заявленная модель фиг. 4 имеет на этих верхних частотах более совершенные K_б.в, R_А, X_А относительно известной модели штыря.

Основой конструкций моделей заявленных излучателей является коаксиальный кабель РК-8 (внутренний медный провод диаметром 2,73 мм, диаметр по изоляции 18 мм, изоляция полиэтиленовая, ε = 2,28). Диски из медной фольги толщиной 0,2 - 0,4 мм. Других электроматериалов автор не имеет.

Экспериментом доказано, что уменьшение средней толщины оболочки увеличивает активное сопротивление первого резонанса R_Арез. Согласно граничным условиям у линий поля E в тонком пространстве центральный провод-поверхность S оболочки растет параллельная составляющая E_t к поверхности оболочки; E_t растет также при увеличении материала оболочки. Линии поля H параллельны оболочке всегда. Поэтому возникающий поток вектора Умова-Пойнтинга пересекает поверхность оболочки почти перпендикулярно, что уменьшает отражение, увеличивает R_Арез.

Можно надеяться: если использовать в замедляющей оболочке материал с большим экспериментального = 1,51 в 2 - 5 раз, уменьшится толщина оболочки примерно в такое же число раз, возрастает активное сопротивление первого резонанса R_Арез. Поэтому будет возможно иметь замедление, например, 2 - 3, значит, высоту известной металлической штыревой антенны уменьшить в 2 - 3 раза при сохранении прежних K_б.в и сопротивления излучения.

В интересах самоукорочения антенны на верхних частотах, значит, расширения частотного диапазона полезно иметь форму центрального провода, близкую к конической с вершиной конуса, обращенной к концу антенны. С этой же целью полезнее почти коническая оболочка, но с вершиной конуса, обращенной к коаксиальному кабелю, как на заявленных моделях антенн.

Полученные результаты можно применять для создания симметричного вибратора, а также распространить их на другие первичные излучатели в диапазонах СМВ, ДМВ, метровых ... частично гектометровых волн, используя принцип подобия антенн [4], если дополнить его поправками, учитывающими влияние замедляющей оболочки.

Литература
1. Тарнецкий А.А., Осипов Д.Д. Антенны судовой радиосвязи. - Л.: Судпромгиз. 1980.

2. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. - М.: Энергия. 1975.

3. Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерение параметров антенно-фидерных устройств. - М.: Связьиздат. 1962.

4. Надененко С.И. Антенны. - М.: Связьиздат. 1959.

5. Патент США N 3922684, H 01 Q 1/40, 1975.

Изобретение относится к технике излучения радиоволн в диапазонах от сантиметровых до декаметровых и частично гектометровых волн. Благодаря сочетанию первичного излучателя, в частности штыревой антенны, с магнитодиэлектрической оболочкой выгодной формы и величиной (μ - магнитная, ε - диэлектрическая относительные проницаемости), а также с припаянными к штырю медными дисками уменьшается длина (высота) первичного излучателя по меньшей мере в 1,6 раз. А параметры излучения сохраняются приблизительно прежние, как в обычной штыревой антенне. Результаты получены экспериментально на дециметровых волнах, но их можно распостранить на другие диапазоны волн, используя принцип подобия антенн. 3 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Вертикальный вибратор, содержащий цилиндрический проводник, заключенный в магнитодиэлектрическую оболочку, который подключен в основании со стороны земли коаксиальным кабелем к генератору ВЧ ЭДС, отличающийся тем, что магнитодиэлектрическая оболочка имеет форму, близкую к конусу с вершиной, обращенной к коаксиальному кабелю, и боковой поверхностью, вогнутой к вибратору. 2. Вибратор по п.1, отличающийся тем, что торец оболочки завершает медный диск диаметром, равным 1,22 - 1,5 диаметра этого торца, припаянный к вибратору. 3. Вибратор по п.1, отличающийся тем, что перпендикулярно вибратору с равными промежутками, которые равны или меньше 0,14 высоты вибратора, припаяны медные диски диаметром, большим текущего диаметра оболочки. 4. Вибратор по п.1, отличающийся тем, что магнитодиэлектрическая оболочка имеет