УСТРОЙСТВО ВОЗБУЖДЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОЛНЫ Российский патент 2000 года по МПК H01Q9/00 H01Q9/44 

Известны различные типы однопроводных линий передачи (ОЛП) электромагнитной энергии: провод без покрытия (линия Зоммерфельда), провод, покрытый слоем диэлектрика (линия Губо), провод с гофрированной поверхностью и др.[1] .

Основная часть энергии электромагнитного поля поверхностной симметричной Е-волны сосредоточена в цилиндрической области вокруг провода ОЛП радиусом порядка длины волны λ В структуре поверхностной Е-волны имеется радиальная составляющая электрического поля Е_r и незначительная по величине продольная составляющая E_z (фиг. 1). Силовые линии магнитного поля в виде замкнутых круговых линий расположены перпендикулярно и симметрично относительно провода ОЛП. Для ОЛП необходимо применение специальных устройств возбуждения поверхностной волны. Устройство возбуждения поверхностной волны располагается в области сосредоточения энергии электромагнитного поля. В качестве устройств возбуждения поверхностной волны в ОЛП применяются рупорные и рупорно-диэлектрические возбудители, позволяющие перейти от коаксиальной линии передачи в ОЛП, т.е. от структуры TEM-волны в структуру поверхностной E-волны [2-12] . На фиг. 1 показано расположение конических рупоров 1 на концах провода 2 ОЛП и приведена структура электромагнитного поля поверхностной волны, распространяющейся вдоль ОЛП [2].

Рупорно-диэлектрические возбудители поверхностной волны для ОЛП (аналог) представляют собой рупорный возбудитель с диэлектрической вставкой, надетой на провод [3,4]. Диэлектрическая вставка выполняет роль замедляющего устройства для замедления и концентрации электромагнитного поля при переходе от коаксиального кабеля к плоскости апертуры рупора с дальнейшим постепенным уменьшением концентрации поля. В [4] в качестве замедляющего устройства применена диэлектрическая вставка из полистирола в виде двух конусов, соединенных основаниями.

Наибольшее распространение получило устройство возбуждения поверхностной волны в виде конического рупора, диаметр раскрыва которого составляет > 2 λ [2,5-12] (прототип). Отметим, что применение конических рупоров для возбуждения имеет ряд недостатков, к которыми относятся небольшая механическая прочность в местах непосредственного крепления конического рупора и натянутого провода ОЛП, а также относительно большие размеры рупора.

Предлагается применять в качестве устройства возбуждения поверхностной волны совокупность вибраторов в сочетании с рефлектором. Схема устройства возбуждения поверхностной волны представлена на фиг. 2.

Предлагаемое устройство возбуждения поверхностной волны показано на фиг. 2. Оно состоит из совокупности вибраторов 1, расположенных вблизи плоского рефлектора 2 и размещенных перпендикулярно и симметрично проводу ОЛП 3. Симметричные вибраторы расположены в одной плоскости в соответствии с круговой симметрией составляющей электрического поля E_r относительно провода ОЛП. Питание к каждому вибратору подведено таким образом, чтобы потенциал на ближнем к проводу ОЛП конце вибратора был одного знака. Расстояние между вибраторами и рефлектором d составляет d < λ/4.

Устройство возбуждения поверхностной волны работает следующим образом.

Мощность сигнала, поступающая от генератора, равномерно распределяется между каждым вибратором из всей совокупности. Излучение совокупности вибраторов приводит к возбуждению и распространению в обе стороны провода ОЛП поверхностной волны. Рефлектор отражает падающую на него поверхностную волну и, в целом, в системе "ОЛП-рефлектор" происходит однонаправленное распространение поверхностной волны, обусловленное излучением совокупности вибраторов. Такое устройство возбуждения поверхностной волны работает как на прием, так и на передачу, является конструктивно простым в исполнение и позволяет получить положительные результаты, так как применение плоского рефлектора в виде диска с совокупностью вибраторов, расположенных вблизи него на расстоянии ≈ 0,1 λ, существенно проще, чем использование рупорного перехода с узлом крепления фидера к его горловине.

Кроме того, возбуждение поля ОЛП в одном направлении от плоскости рефлектора в сочетании с возможной гальванической развязкой провода и рефлектора позволит использовать в качестве ОЛП любой однородный участок проводной сети.

Для проверки действия устройства возбуждения поверхностной волны была собрана экспериментальная установка, схема которой представлена на фиг. 3.

Сигнал на частоте 10,3 ГГц от генератора Г4-109 подавался через фидерный тракт на устройство возбуждения поверхностной волны (фиг. 4). Устройство возбуждения поверхностной волны из всей совокупности вибраторов содержало волновый вибратор, расположенный симметрично относительно провода ОЛП. Такую систему можно рассматривать как совокупность двух полуволновых вибраторов. Вибратор 1 и рефлектор 2 расположены перпендикулярно и симметрично относительно провода 3 ОЛП. Вибратор запитывается коаксиальным кабелем 4, заканчивающимся четвертьволновым стаканом 5, служащим для отсечки тока по наружной поверхности коаксиальной линии питания. На другом конце ОЛП укреплено аналогичное устройство возбуждения поверхностной волны, предназначенное для приема. Принятый сигнал регистрировался приемником П5-34. Длина ОЛП между возбуждающими устройствами составляла 2,20 м, в качестве ОЛП использован провод П-274, внешний диаметр диэлектрической оболочки которого 2a₁=2,2 мм, диаметр проводника составляет 2a= 0,75 мм. Уровень принятого сигнала по сравнению с сигналом, прошедшим через волноводный тракт такой же длины, оказался ниже на 5 дБ, что свидетельствует об эффективности предлагаемого устройства возбуждения поверхностной волны. Отметим, что изготовление, монтаж, эксплуатация ОЛП с предлагаемыми устройствами возбуждения поверхностной волны являются более простыми по сравнению с применяемыми ранее и экономически более выгодными. Таким образом, для передачи сигнала можно возбудить любой участок одиночного провода, заставив его работать как ОЛП поверхностной волны с помощью представленных устройств возбуждения поверхностной волны.

Отметим, исследования показали возможность возбуждения поверхностной волны в ОЛП с рупорными переходами на концах с помощью вибратора, находящегося вблизи провода ОЛП и принимающего сигнал из свободного пространства [10-12]. В рассматриваемом случае сочетание вибратора с рефлектором позволяет перейти к реализации непосредственно устройства возбуждения поверхностной волны.

Экспериментальные исследования устройства возбуждения поверхностной волны были проведены также в другом диапазоне на частоте 2430 МГц. Поверхностная волна распространялась вдоль сталеалюминиевого провода диаметром 4 мм. Для проведения исследований были применены генератор сигналов высокочастотный Г4-79 и ваттметр Я2М-66. Длина экспериментального участка ОЛП составила 30λ.

Исследования показали, что геометрия расположения вибраторов в устройстве возбуждения поверхностной волны должна как модно ближе отражать структуру поля, поверхностной волны, т.е. вибраторы должны располагаться вдоль линий составляющей E_r. Вариант более простого устройства возбуждения поверхностной волны содержал в себе совокупность из трех вибраторов, схема соединения которых показана на фиг. 5. Однопотенциальные плечи вибраторов соединены в центре под углом 120^o, вблизи точки соединения проходит провод ОЛП. Питание подводится таким образом, что одним фидерным трактом возбуждается вся совокупность вибраторов. Это достигается следующим образом. К центральной жиле коаксиально фидера, проложенного по оси симметрии, подключен четвертьволновый проводник, а к внешней оболочке подключен четвертьволновый запирающий стакан либо противовес, исключающие затекание тока на наружную поверхность коаксиального фидера. Четвертьволновый стакан в сочетании с четвертьволновым проводником образуют полуволновый вибратор, входящий в совокупность всей системы вибраторов, показанных на фиг. 5. Электрическая длина излучателя порядка длины волны, поэтому для согласования с фидером, имеющим волновое сопротивление 50 Ом, совокупность вибраторов расположена над рефлектором на расстоянии, существенно меньшем λ/A (0,12).

Это позволяет понизить входное сопротивление за счет взаимодействия с рефлектором и тем самым обеспечить согласование. Такие устройства возбуждения поверхностной волны были установлены на передающем и приемном концах исследуемой ОЛП. Уровень затухания мощности сигнала, снимаемого с однопроводной линии передачи, соответствовал значению 0,7 дБ. Проведенные экспериментальные исследования указывают на эффективность применения представленного устройства возбуждения поверхностной волны.

Литература
1. Шевченко В. В. Плавные переходы в открытых волноводах. - М.: Наука, 1969.

2. Ефимов И.Е. Радиочастотные линии передачи. - М.: Сов. Радио, 1964.

3. Семенов Н. А., Семенов В.В. Коэффициент возбуждения (эффективность) возбудителей апертурного типа линий поверхностной волны. //Радиотехника. 1970 N 1. С. 96-98.

4. Семенов В.В. Экспериментальное исследование поля излучателя возбудителей линии поверхностной волны. //Труды учебных институтов связи. Л., 1966. Вып.30. С. 19-25.

5. Кисмерешкин В.П., Лобова Г.Н. Всенаправленная высотная антенна. Патент N 2099827.

6. Трошин Г.И., Малолепший Г.А., Алфеев В.Н. Некоторые вопросы применения однопроводных линий передачи в качестве фидерных трактов для многоканальных радиорелейных линий связи сантиметрового диапазона волн. //Радиотехника, 1964. Т. 19 N 1, С. 36-45.

7. Семенов Н.А., Гулькаров П.С. Линия поверхностной волны для передачи телевидения. // Техника кино и телевидения. 1967 N 1. С. 46-49.

8. Семенов Н.А., Семенов В.В. Передача телевизионной программы с амплитудной модуляцией по линии поверхностной волны. // Труды учебных институтов связи. - Л., 1965. Вып. 26. С. 9-14.

9. Македонский Д. Опыт применения однопроводных линий поверхностной волны.//Электросвязь. 1978 N 5. С. 25-26.

10. Кисмерешкин В.П., Лобова Г.Н. Установка для изучения характеристик линейной антенной решетки. //Приборы и техника эксперимента. 1995 N 4. С. 89-92.

11. Кисмерешкин В.П., Лобова Г.Н. Моделирование линейной антенной решетки на основе однопроводной линии передачи. // Приборы и техника эксперимента. 1996. N 5. C. 85-86.

12. Кисмерешкин В.П., Лобова Г.Н. Нетрадиционное построение всенаправленных и направленных антенн. //7-я Международная Крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии". Севастополь. 1996. 16-19 сентября. Материалы конференции. Т. 2. С. 531-533.

Устройство возбуждения поверхностной волны содержит коаксиальный питающий фидер и излучатель, расположенный симметрично оси провода однопроводной линии передачи и состоящий из лежащих в одной плоскости вибраторов, расположенных перпендикулярно оси провода однопроводной линии передачи и параллельно плоскости рефлектора, отстоящего на расстоянии 0,12λ где λ - длина волны. Устройство может содержать три вибратора, соединенных однофазными концами в центре, при этом одно из плеч одного из вибраторов оканчивается запирающимся стаканом длиной λ/4, либо противовесом, соединенных с наружной оболочкой питающего фидера. Технический результат заключается в упрощении конструкции. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Устройство возбуждения поверхностной волны, содержащее коаксиальный питающий фидер и излучатель, расположенный симметрично оси провода однопроводной линии передачи, отличающееся тем, что излучатель состоит из лежащих в одной плоскости вибраторов, расположенных перпендикулярно оси провода однопроводной линии передачи и параллельно плоскости рефлектора, отстоящего на расстоянии 0,12λ, где λ - длина волны. 2. Устройство возбуждения поверхностной волны по п.1, отличающееся тем, что состоит из трех вибраторов, соединенных однофазными концами в центре, и одно из плеч одного из вибраторов оканчивается запирающимся стаканом длиной λ/4, либо противовесом, соединенных с наружной оболочкой питающего фидера.