НАПРАВЛЕННАЯ ВИБРАТОРНАЯ АНТЕННА Российский патент 2003 года по МПК H01Q9/16 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к классу широкополосных направленных вибраторных антенн, и может найти применение в системах связи для приема и передачи сигналов, в системах пеленгации, в задачах метрологии для измерения синусоидальных, шумовых и импульсных электрических полей в лабораторных помещениях, экранированных камерах и на открытых площадках, в задачах обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств защиты информации, а также предельно допустимых уровней электромагнитных полей в задачах обеспечения эколого-защитных мероприятий.

Известна направленная вибраторная антенна (антенна типа PNA 230/А, Каталог фирмы "A.R.A Antenna Research Accessories", Broadband Antenna Systems, Positioners & Accessories Table of Contents, 1998, p.74-75) с рабочим диапазоном частот 2-30 МГц, содержащая два металлических вибратора, центры которых расположены на концах общей штанги соответственно. Каждый вибратор выполнен из двух одинаковых и ортогональных друг другу вибраторов, концы каждого из которых нагружены на металлические диски. Один вибратор является активным, а другой вибратор является пассивным и выполняет роль контрефлектора, обеспечивая тем самым вибраторной антенне направленные свойства - направленную диаграмму направленности. Антенна устанавливается на мачте с растяжками.

Недостатки направленной вибраторной антенны: значительные габариты, что не позволяет использовать ее в помещениях; требуются стационарные условия использования с обязательными растяжками при установке; антенна имеет большую металлоемкость.

Наиболее близким техническим решением - прототипом является направленная вибраторная антенна (Model HE 200, Radiomonitoring and Radiolocation, Products and Solutions, Catalog 2000/2001, ROHDE & SCHWARZ, p.28) с диапазоном рабочих частот 20...200 МГц (коэффициент перекрытия по частоте K_f=f_max/f_min= 10) и кардиоидной формой диаграммы направленности, содержащая два идентичных вибратора, симметрично расположенных относительно одной координатной плоскости, проходящей через продольную ось направленной вибраторной антенны. Вибратор выполнен из одного металлического проводника (ленты) конечной толщины, один и другой концы металлических проводников вибраторов сходятся к одной и другой координатным прямым соответственно, перпендикулярным одной координатной плоскости, а точки одного и другого конца вибратора на одной и другой прямой относительно одной координатной плоскости соответственно расположены с зазором, при этом точки одних концов металлических проводников вибраторов являются входными линиями передачи направленной вибраторной антенны и подключены к выходным линиям передачи согласующе-симметрирующего устройства, входная линия передачи которого является входной линией передачи направленной вибраторной антенны и выполнена на отрезке коаксиальной линии передачи, другие концы изолированы между собой.

Недостатками направленной вибраторной антенны являются: узкополосность относительно нижней и верхней границ частотного диапазона; низкий уровень согласования в низкочастотной области диапазона; значительные габариты - большая ширина вибратора; низкая механическая прочность; невозможность использования в составе фазированных антенных решеток.

Технической задачей данного изобретения является создание широкополосной направленной вибраторной антенны с кардиоидной формой диаграммы направленности, с расширенным в область низких и высоких частот рабочим диапазонам, с высоким уровнем согласования во всем рабочем диапазоне частот, с уменьшенным размером ширины антенны, с плоской апертурой, с возможностью использования в составе сверхширокополосных фазированных антенных решеток.

Поставленная задача решается тем, что в направленной вибраторной антенне, содержащей два идентичных вибратора, симметрично расположенных относительно одной координатной плоскости, проходящей через продольную ось направленной вибраторной антенны, при этом каждый вибратор выполнен, по крайней мере, из одного металлического проводника конечной толщины, причем одни концы металлических проводников вибраторов сходятся к одной координатной прямой, перпендикулярной одной координатной плоскости, в точках, расположенных от нее на расстоянии d₁, при этом эти точки являются входными линиями передачи направленной вибраторной антенны и подключены к выходным линиям передачи согласующе-симметрирующего устройства, входная линия передачи которого является входным каналом направленной вибраторной антенны и выполнена на отрезке коаксиальной линии передачи, а металлические проводники вибраторов со стороны других концов пересекают другую координатную прямую, перпендикулярную одной координатной плоскости, в точках, расположенных от нее на расстоянии d₂, каждый металлический проводник вибратора направленной вибраторной антенны выполнен в форме, огибающая контура которой исходит из точки одного конца металлического проводника, расположенной на расстоянии d₁ относительно одной координатной плоскости, в направлении точки другого конца металлического проводника, расходящимися лучами с острым углом Θ раскрыва, при этом внешний луч по отношению к продольной оси направленной вибраторной антенны составляет с ней угол Ψ, и переходит во внешний нелинейный участок огибающей с выпуклым искривлением, радиус кривизны которого уменьшается с увеличением расстояния от точки одного конца металлического проводника вибратора к точке другого конца металлического проводника, и переходит в первый нелинейный участок огибающей, выполненный в форме овала, при этом длина перпендикуляра h к огибающей в точке перегиба первого нелинейного участка огибающей до продольной оси направленной вибраторной антенны определяет размер ширины вибратора, а внутренний луч переходит во внутренний нелинейный участок огибающей с вогнутым искривлением, радиус кривизны которого уменьшается с увеличением расстояния от точки одного конца металлического проводника вибратора к точке другого конца, который затем переходит во второй нелинейный участок огибающей, выполненный в форме овала, точка перегиба которого соответствует точке, лежащей на другой координатной прямой на расстоянии d₂ от одной координатной плоскости, при этом большая ось овала составляет угол Ф с продольной осью направленной вибраторной антенны.

Направленная вибраторная антенна структурно представляет собой конструкцию, состоящую из двух идентичных металлических вибратора конечной толщины. Каждый вибратор выполнен, по крайней мере, из одного металлического проводника, огибающая контура которого имеет форму почти "запятой". Вибраторы расположены вогнутыми сторонами "запятых", соответствующими внутреннему нелинейному участку огибающей контура металлического проводника вибратора, друг к другу, выпуклые части "запятых", соответствующие второму нелинейному участку огибающей контура металлического проводника вибратора, выполненному в форме овала, расположены в точке пересечения, со стороны других концов металлических проводников вибраторов, с другой координатной прямой на расстоянии d₂ от одной координатной плоскости, а острые окончания "запятых", соответствующие одним концам огибающих контура металлических проводников вибратора, пересекаются с одной координатной прямой в точках на расстоянии d₁ от одной координатной плоскости, и эти точки являются входными линиями передачи направленной вибраторной антенны, к которым подключены выходные линии передачи согласующе-симметрирующего устройства. Расстояние, равное 2d₁, определяющее расстояние между проводниками двухпроводной линии передачи, соответствующее волноновому сопротивлению, определяет входное сопротивление направленной вибраторной антенны.

Выполнение направленной вибраторной антенны, по крайней мере, с двумя металлическими проводниками в каждом вибраторе, которые со стороны одних концов гальванически соединены между собой и подключены на согласующе-симметрирующее устройство, а со стороны других концов разделены между собой диэлектрическими прокладками, позволяет уменьшить неравномерность характеристики согласования в рабочем диапазоне частот.

Острый угол раскрыва Θ между расширяющимися лучами, исходящими из точки одного конца огибающей контура металлического проводника вибратора, составляет от 20^o до 40^o, а угол Ψ, между внешним лучом огибающей контура металлического проводника вибратора и продольной осью направленной вибраторной антенны, выбирается из условия Ψ≥45^o, поэтому угол между внешними лучами огибающих контура двух вибраторов будет составлять Ψ≥90^o. Такое выполнение вибраторов является аналогом широкополосных конусных антенн (А.Л. Драбкин, В. Л. Зузенко. Антенно-фидерные устройства. М.: Советское Радио, 1961, стр. 353).

Угол Ψ функционально связан с формой огибающей контура одного вибратора и огибающей внешнего контура двух вибраторов и определяет диапазонные свойства, входное сопротивление и неравномерность характеристики согласования в рабочем диапазоне частот направленной вибраторной антенны (Щелкунови Фрис, "Антенны", пер. с англ., М.: Советское Радио, 1955, гл.13) и угол Θ (Eugen Philippow, Taschenbuch Elektrotechnik, Band 3, Carl Hanser-Verlag Munchen-Wien 1978, Seite 569).

Большая ось между первым и вторым нелинейными участками огибающей контура металлического проводника вибратора, выполненными в форме овала, составляет с продольной осью направленной вибраторной антенны угол Ф, который определяется в секторе от 60 до 105^o. Величина угла Ф определяет неравномерность характеристики согласования в диапазоне частот направленной вибраторной антенны и функционально зависит от формы овала и линейных размеров большой оси овала.

Металлические проводники вибраторов антенны могут быть выполнены в печатном исполнении на диэлектрической подложке. В этом случае электрические размеры проводников вибраторов увеличиваются в раз, где ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость подложки. Это позволяет обеспечить направленной вибраторной антенне дополнительное расширение частотного диапазона в низкочастотную область с высокими характеристиками согласования, использовать в составе фазированных антенных решеток, значительно уменьшить ширину конструкции, увеличить надежность, обеспечить высокую технологическую воспроизводимость, уменьшить металлоемкость и вес, повысить механическую прочность.

Поверхности металлических проводников вибраторов направленной вибраторной антенны могут быть покрыты радиопрозрачной краской или радиопрозрачным диэлектрическим материалом, что позволяет повысить механическую прочность, обеспечить защиту от механических воздействий и повреждений, исключить климатические воздействия и обеспечить возможность использования на открытом пространстве в любых климатических условиях.

Использование в качестве радиопрозрачного диэлектрического материала диэлектрических материалов на вспененной основе позволяет обеспечить металлическим проводникам вибраторов дополнительную механическую прочность.

Выполняя металлические проводники вибраторов в печатном исполнении, создавая дополнительное механическое, реализуемое конструктивным путем, крепление диэлектрической подложки в корпусе согласующе-симметрирующего устройства и используя диэлектрическое покрытие на основе вспененного диэлектрика, например на основе радиопрозрачного пенополиуретана или радиопрозрачной резины, обеспечивают направленной вибраторной антенне низкий уровень "микрофонного эффекта". Это позволяет использовать направленную вибраторную антенну в режиме приема или в режиме излучения при уровне внешних шумовых воздействий >95 дБ (Карпушин В.Б. Вибрации и удары в радиоаппаратуре. Изд-во "Советское радио", 1971, 344 с.; Акустика в задачах. Под ред. С.Н. Гурбатова и О.В. Руденко. - М.: Наука. Физматлит, 1996. - 336 с.).

Металлический проводник вибратора может быть выполнен в виде сплошной металлической пластины конечной толщины.

Нижняя граница частотного диапазона f_грH направленной вибраторной антенны с вибратором в виде сплошной металлической пластины и с огибающей контура вибратора, выполненной в форме почти "запятой", определяется соотношением f_грН≅C₀/7L, где С₀ - скорость света, L - длина полной огибающей контура металлического проводника вибратора в форме почти "запятой". Верхняя граница частотного диапазона f_грB направленной вибраторной антенны определяется требованиями к форме диаграммы направленности (как правило, по уровню провала в главном лепестке диаграммы направленности порядка 3 дБ), что составляет порядка f_грB≅14С₀/2πL. В этом случае коэффициент перекрытия по частоте составляет K_f=15,6 (Щелкунови Фрис. Антенны, пер. с англ., М.: Советское Радио, 1955, гл.13).

В пределах определенного частотного диапазона направленная вибраторная антенна имеет достаточно постоянную величину входного сопротивления, что позволяет обеспечить высокий уровень симметрирования (переход с двухпроводной симметричной линии на несимметричную коаксиальную линию) и согласование входного сопротивления направленной вибраторной антенны (40-70 Ом) с 50-омной входной линией передачи (М.С. Жук, Ю.Б. Молочков. Проектирование антенно-фидерных устройств. М.-Л.: Энергия, 1966, стр.130).

Металлический проводник вибратора может быть выполнен в виде металлической пластины конечной толщины, внутренняя часть поверхности которой выполнена в виде металлической решетки или в виде металлических проводников, продольно ориентированных по отношению к продольной оси направленной вибраторной антенны, или в виде металлических проводников, поперечно ориентированных по отношению к продольной оси направленной вибраторной антенны.

Такое выполнение позволяет уменьшить металлоемкость конструкции, уменьшить ветровую нагрузку, регулировать характеристики согласования.

Металлический проводник вибратора может быть выполнен в виде ленточных проводников зигзагообразной формы, одни изгибы проводников расположены на внешней огибающей контура металлического проводника вибратора, а другие изгибы проводников, противоположные одним изгибам, расположены на внутренней огибающей контура металлического проводника вибратора.

Металлический ленточный проводник вибратора зигзагообразной формы может быть выполнен переменной ширины. Зигзагообразная форма металлического ленточного проводника вибратора может быть выполнена различной формы изгиба, так, например, синусоидальной формы изгиба; трапецеидальной формы изгиба; треугольной формы изгиба; может быть выполнена также и другой формы; может быть выполнена с переменным шагом; с переменной шириной металлического ленточного проводника от одного конца металлического ленточного проводника к другому или с переменной шириной металлического ленточного проводника по всей его длине.

Нижняя граничная частота направленной вибраторной антенны с металлическими ленточными проводниками вибратора зигзагообразной формы определяется соотношением f_грH≅K•C₀/7L, где К - коэффициент удлинения (>1) направленной вибраторной антенны с металлическим ленточным проводником вибратора зигзагообразной формы и определяется как функционал, зависящий от геометрической формы огибающей контура в форме почти "запятой", формы изгиба, шага, количества изгибов, размеров поперечного сечения металлического ленточного проводника (Shhafai L., Sebak A.A. - Antennas and Propag, АР - S Int. Symp. Dig. , Boston, Mass., 1984, Vol.1. N.Y, 1984, p.55-57).

Верхняя граница частотного диапазона f_грВ направленной вибраторной антенны определяется требованиями к форме диаграммы направленности (как правило, по уровню провала в главном лепестке диаграммы направленности порядка 3 дБ), что составляет порядка f_грB≅14•N•C₀/2πL, где N - коэффициент удлинения (>1) направленной вибраторной антенны с металлическим ленточным проводником вибратора змейковой формы и определяется как функционал, зависящий от геометрической формы огибающей контура в форме почти "запятой", формы изгиба, шага, количества изгибов (Wood С., Hall P., James J.R. Design of wideband circularly polarisedmicrostip antennas and arrays. Int. Conf. Antennas and Propag. , London, 1978. Part 1. 312-316). В этом случае коэффициент перекрытия по частоте составляет K_f=15,6•N/K. В пределах определенного частотного диапазона направленная вибраторная антенна имеет достаточно постоянную величину входного сопротивления.

Осуществляют выбор геометрической формы огибающей контура вибратора в форме почти "запятой" и определение соотношений геометрических размеров металлического ленточного проводника зигзагообразной формы вибратора, а именно формы изгиба, шага, количества изгибов, геометрических размеров поперечного сечения ленточного проводника, величины углов Ψ, Φ и Θ и длины L, которые являются функционально зависимыми между собой параметрами и определяются в результате параметрического синтеза и параметрической оптимизации.

Металлические ленточные проводники вибраторов направленной вибраторной антенны могут быть выполнены с подключенными к ним, в точках со стороны других концов вибраторов, распределенными согласованными нагрузками или реактивными нагрузками емкостного или индуктивного значения. При этом необходимо учитывать, что параметры реактивных нагрузок являются частотно зависимыми.

Согласованные нагрузки могут быть выполнены, например, на распределенных резисторах, например, в виде пленок. Реактивные емкостные или индуктивные нагрузки могут выполняться, например, на распределенных элементах в виде шлейфов. Подключение активных и/или реактивных нагрузок позволяет обеспечить дополнительную степень свободы для согласования, например для выравнивания характеристики согласования, для расширения диапазона рабочих частот направленной вибраторной антенны в нижнюю или верхнюю область диапазона частот.

На фиг.1 изображена конструкция направленной вибраторной антенны с огибающей контура металлического проводника вибратора в форме почти "запятой" в двух проекциях; на фиг.2 конструкция вибраторов выполнена в виде сплошной металлической пластины в форме почти "запятой"; на фиг.3 - конструкция вибраторов по фиг.2, внутренняя часть поверхности металлических пластин выполнена в виде металлической решетки; на фиг.4 - конструкция вибраторов по фиг. 2, внутренняя часть поверхности металлических пластин выполнена в виде металлических проводников, продольно ориентированных по отношению к продольной оси антенны; на фиг.5 - конструкция вибраторов по фиг.2, внутренняя часть поверхности металлических пластин выполнена в виде металлических проводников, поперечно ориентированных по отношению к продольной оси антенны; на фиг. 6 - конструкция вибраторов с огибающей контура в форме почти "запятой", с вибратором в виде металлического ленточного проводника с прямоугольной формой изгиба; на фиг.7 - конструкция вибраторов с металлическим ленточным проводником с прямоугольной формой изгиба переменной ширины по длине; на фиг. 8 - конструкция вибраторов с металлическим ленточным проводником синусоидальной формы изгиба; на фиг.9 - конструкция вибраторов с металлическим ленточным проводником трапецеидальной формы изгиба; на фиг.10 - конструкция вибраторов с металлическим ленточным проводником треугольной формы изгиба; на фиг.11 - конструкция вибраторов с металлическим ленточным проводником зигзагообразной формы изгиба; на фиг.12 - конструкция вибраторов с металлическим ленточным проводником трапецеидальной формы изгиба, концы которого нагружены на распределенный резистор; на фиг.13 - конструкция вибраторов с металлическим ленточным проводником трапецеидальной формы изгиба, концы которого нагружены на распределенную емкость; на фиг.14 схематически показаны геометрические параметры построения огибающей контура металлических проводников вибраторов направленной вибраторной антенны; на фиг.15 - конструкция направленной вибраторной антенны в печатном исполнении на диэлектрической подложке; на фиг.16 - конструкция направленной вибраторной антенны с двумя металлическими проводниками в каждом вибраторе, выполненными в виде, например, металлической пластины.

Направленная вибраторная антенна 1 (фиг.1) содержит два идентичных вибратора 2, симметрично расположенных относительно одной координатной плоскости, проходящей через продольную ось 3 направленной вибраторной антенны 1, при этом вибратор 2 выполнен, по крайней мере, из одного металлического проводника 4 конечной толщины, причем одни концы 5 металлических проводников 4 вибраторов 2 сходятся к одной координатной прямой 6, перпендикулярной одной координатной плоскости, и расположены от нее на расстоянии d₁, при этом точки одних концов 5 металлических проводников 4 вибраторов 2 являются входными линиями передачи направленной вибраторной антенны 1 и подключены к выходным линиям передачи согласующе-симметрирующего устройства 7, входная линия передачи 8 которого является входным каналом направленной вибраторной антенны 1 и выполнена на отрезке коаксиальной линии передачи, а металлические проводники 4 вибраторов 2 со стороны других концов 9 пересекают другую координатную прямую 10, перпендикулярную одной координатной плоскости, в точках, расположенных от нее на расстоянии d₂, при этом металлический проводник 4 вибратора 2 направленной вибраторной антенны 1 выполнен в форме, огибающая контура которой выполнена исходящими из точки одного конца 5 металлического проводника 4 вибратора 2, расположенной на расстоянии d₁ относительно одной координатной плоскости, в направлении точки другого конца 9 металлического проводника 4 вибратора 2, расширяющимися лучами с острым углом Θ раскрыва.

При этом внешний участок луча 11 огибающей контура металлического проводника 4 вибратора 2, внешний по отношению к продольной оси 3 направленной вибраторной антенны 1 и составляющий с ней угол Ψ, переходит во внешний нелинейный участок 12 огибающей контура металлического проводника 4 вибратора 2, продольно ориентированного по отношению к продольной оси 3 направленной вибраторной антенны 1, с выпуклым искривлением, радиус кривизны которого уменьшается с увеличением расстояния в направлении от точки одного конца 5 металлического проводника 4 вибратора 2 к точке другого конца 9 металлического проводника 4 вибратора 2, и переходит в первый нелинейный участок 13 огибающей контура металлического проводника 4 вибратора 2, выполненный в форме овала, при этом длина перпендикуляра h от точки перегиба первого нелинейного участка 13 огибающей контура металлического проводника 4 вибратора 2, выполненного в форме овала, до продольной оси 3 направленной вибраторной антенны 1 определяет размер, равный ширине вибратора 2, а внутренний участок луча 14 огибающей контура металлического проводника 4 вибратора 2, внутренний по отношению к продольной оси 3 направленной вибраторной антенны 1, переходит во внутренний нелинейный участок 15 огибающей контура металлического проводника 4 вибратора 2, поперечно ориентированного по отношению к продольной оси 3 направленной вибраторной антенны 1, с вогнутым искривлением, радиус кривизны которого уменьшается с увеличением расстояния в направлении от точки одного конца 5 металлического проводника 4 вибратора 2 к точке другого конца 9 металлического проводника 4 вибратора 2, и переходит во второй внутренний нелинейный участок 16 огибающей контура металлического проводника 4 вибратора 2, выполненный в форме овала, точка перегиба которого соответствует точке, расположенной со стороны другого конца 9 металлического проводника 4 соответствующего вибратора 2, лежащей на другой координатной прямой 10 на расстоянии d₂ относительно одной координатной плоскости, при этом первый внешний 13 и второй внутренний 16 нелинейные участки огибающей контура металлического проводника 4 вибратора 2, выполненные в форме овала, расположены со стороны вершин, соответствующих большой оси овала 17, составляющей угол Ф с продольной осью 3 направленной вибраторной антенны 1.

Направленная вибраторной антенны 1 (фиг.2) может быть выполнена с вибратором 2 в виде сплошной металлической пластины 18 с огибающей контура в форме почти "запятой".

Направленная вибраторная антенна 1 может быть выполнена с вибратором 2 в виде металлической пластины 18, внутренняя часть поверхности которой выполнена в виде металлической решетки 19 (фиг.3); в виде металлических проводников 20, продольно ориентированных по отношению к продольной оси 3 (фиг.4); в виде металлических проводников 21, поперечно ориентированных по отношению к продольной оси 3 (фиг.5).

Направленная вибраторная антенна 1 может быть выполнена с вибратором 2 в виде металлического ленточного проводника 22 с огибающей контура в форме почти "запятой" и формой изгиба: прямоугольной (фиг.6); прямоугольной с переменной шириной ленточного проводника (фиг.7); синусоидальной (фиг.8); трапецеидальной (фиг.9); треугольной (фиг.10); зигзагообразной (фиг.11).

Направленная вибраторная антенна 1 может быть выполнена с вибратором 2 в виде металлического ленточного проводника 22 с огибающей контура в форме почти "запятой", например, трапецеидальной формы изгиба, концы которого нагружены на распределенный резистор 23 (фиг.12) и на распределенную емкость 24 (фиг.13).

Геометрические параметры построения огибающей контура металлического проводника 4 вибратора 2 и направленной вибраторной антенны 1 схематически показаны на фиг.14. Огибающая контура металлического проводника 4 состоит из внешней и внутренней огибающих, причем внешняя огибающая состоит из внешнего луча 4, внешнего нелинейного участка 12 и первого нелинейного участка 13, а внутренняя огибающая состоит из внутреннего луча 14, внутреннего нелинейного участка 15 и второго нелинейного участка 16.

Направленная вибраторная антенна 1 может быть выполнена с вибратором 2 в виде печатного металлического проводника 25 на диэлектрической подложке 26 (фиг. 15). Печатные металлические проводники 25 могут быть выполнены любой формы и любой конфигурации, толщина металлического проводника равна толщине металлизации и, как правило, составляет 0,15 мм. Также можно выполнять металлические проводники направленной вибраторной антенны методом напыления на керамических подложках с высокой относительной диэлектрической проницаемостью.

Направленная вибраторная антенна 1 может быть выполнена с двумя металлическими проводниками 27 и 28 в каждом вибраторе 2 соответственно, которые со стороны одних концов 5 гальванически соединены между собой и подключены на согласующе-симметрирующее устройство 7, а со стороны других концов 9 разделены между собой диэлектрическими прокладками 29 (фиг.16).

Направленная вибраторная антенна 1 работает следующим образом. В режиме излучения электромагнитная энергия входного сигнала через отрезок 8 коаксиальной линии передачи, являющейся несимметричной линией с волной типа ТЕМ и, как правило, с волновым сопротивлением 50 Ом, поступает на согласующе-симметрирующее устройство 7. В согласующе-симметрирующем устройстве 7 осуществляется симметрирование волны типа ТЕМ коаксиальной линии в волну типа ТЕМ двухпроводной линии с одновременной трансформацией волнового сопротивления 50 Ом во входное сопротивление направленной вибраторной антенны 1 на входных линиях передачи в точках одних концов 5 вибраторов 2. Величина входного сопротивления направленной вибраторной антенны 1 составляет порядка 40-70 Ом с углом 2Ψ≥90^o между внешними лучами 11 и 14 огибающей контура металлического проводника 4 вибратора 2. Входные линии передачи согласующе-симметрирующего устройства 7 соединены с одними концами 5 металлических проводников 4 вибраторов 2 направленной вибраторной антенны 1 соответственно. Направленная вибраторная антенна 1 формирует однонаправленное излучение вдоль продольной оси 3 с кардиоидной формой диаграммы направленности. Правильно рассчитанное и спроектированное согласующе-симметрирующее устройство 7 обеспечивает сверхширокополосное согласование и симметрирование, а по направленному излучению во всем заданном частотном диапазоне в режиме излучения и в режиме приема.

Амплитудно-фазовое распределение в вибраторах 2 направленной вибраторной антенны 1 зависит от формы огибающей контура вибратора 2, вида выполнения проводника 4 - в виде металлической пластины или в виде ленточного проводника змейковой формы. Металлический ленточный проводник змейковой формы имеет значительно больше степеней свободы геометрических размеров по отношению к металлической пластине, таких как форма изгиба, количество изгибов, шаг изгибов, величина зазора между ленточными проводниками (определяет величину взаимной электромагнитной связи - коэффициент связи), амплитуда изгибов, ширина ленточного проводника, концевая нагрузка, и соответственно все эти параметры влияют на электрические характеристики направленной вибраторной антенны 1. Однако направленная вибраторная антенна 1 с вибраторами 2, выполненными в виде металлической пластины 18 конечной толщины, имеет высокую механическую прочность, простоту изготовления, высокую надежность, может использоваться в сверхнизкочастотной области, например кГц. Направленная вибраторная антенна 1 с вибраторами 2, выполненными в виде металлических ленточных проводников 22 конечной толщины змейковой формы, при проектировании требует обязательно предусматривать дополнительное механическое крепление ленточных проводников для придания конструкции жесткости и надежности, т. е. происходит усложнение конструкции. Наиболее технологичной является конструкция направленной вибраторной антенны, выполненная в печатном исполнении с применением диэлектрических материалов с высокой (>10) относительной диэлектрической проницаемостью.

Сложная функциональная взаимосвязь между структурными параметрами (форма огибающей контура вибратора 2) и геометрическими размерами проводников 4 направленной вибраторной антенны 1 требует проведения многопараметрического синтеза и оптимизации по заданным электрическим характеристикам.

Так, например, длина металлической пластины проводника 4 вибратора 2 определяет диапазонные свойства, а форма огибающей (углы Θ и Ф) также влияет на диапазонные свойства и определяет величину входного сопротивления и характеристики согласования в диапазоне частот. Для металлических ленточных проводников 22 вибратора 2 взаимная связь изгибов (коэффициент связи), форма изгибов и их число мало влияют на диаграмму направленности, в тоже время изменением амплитуды изгибов и шага можно варьировать диаграммой направленности направленной вибраторной антенны 1, и все эти параметры завязаны с формой огибающей контура вибратора 2.

Аналитические расчеты показали, что геометрическая форма огибающей контура металлического проводника 4 вибратора 2 с высокой степенью приближения аппроксимируется овалом Кассини и усеченной лемнискатой (фиг.14). Овал Кассини и лемниската представляют собой плоские геометрические кривые, описываемые уравнением четвертого порядка как в прямоугольной, так и в полярной системах координат.

Например, используя метод конечных элементов (Л. Сегерлинд. Применение метода конечных элементов. - Пер. с англ. под ред. Б.Е. Победри. М.: Мир, 1979. - 398 с.) и "квазирегулярное" приближение (Ильинский А.С., Слепян Г.Я. Колебания и волны в электродинамических системах с потерями. - М.: Изд-во МГУ, 1983. -323 с.), с достаточной степенью приближения, для практической реализации, посредством параметрического синтеза и параметрической оптимизации можно рассчитать форму, геометрические размеры металлических пластин 18 и ленточных проводников 22 змейковой формы вибраторов 2 под заданные электродинамические характеристики направленной вибраторной антенны 1. Причем все расчеты необходимо проводить с учетом реализации конструкции и условий эксплуатации.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к классу широкополосных однонаправленных вибраторных антенн, и может найти применение в системах связи, в метрологии, в задачах электромагнитной совместимости. Техническим результатом является создание направленной вибраторной антенны с кардиоидной формой диаграммы направленности, с расширенным диапазоном рабочих частот, с высоким уровнем согласования во всем рабочем диапазоне частот. Сущность изобретения заключается в том, что направленная вибраторная антенна 1 содержит два идентичных металлических вибратора 2, огибающая контура каждого вибратора выполнена исходящими из точки одного конца 5 проводника 4 вибратора 2 в направлении точки другого его конца 9, расходящимися с острым углом Θ раскрыва, внешний луч 11 огибающей составляет с продольной осью 3 антенны 1 угол ψ, и переходит в нелинейный участок 12 с выпуклым искривлением, радиус кривизны которого уменьшается с увеличением расстояния в направлении от одного конца 5 к другому его концу 9, и затем в первый нелинейный участок 13 в форме овала, а внутренний луч 14 огибающей переходит во внутренний нелинейный участок 15 с вогнутым искривлением, радиус кривизны которого уменьшается с увеличением расстояния в направлении от одного конца 5 проводника 4 вибратора 2 к другому концу 9, и переходит во второй внутренний нелинейный участок 16, выполненный в форме овала. Концы 5 проводников подключены к согласующе-симметрирующему устройству, выход которого является входом антенны. 19 з.п.ф-лы, 16 ил.

1. Направленная вибраторная антенна, содержащая два идентичных вибратора, симметрично расположенных относительно одной координатной плоскости, проходящей через продольную ось направленной вибраторной антенны, при этом каждый вибратор выполнен, по крайней мере, из одного металлического проводника конечной толщины, причем одни концы металлических проводников вибраторов сходятся к одной координатной прямой, перпендикулярной одной координатной плоскости в точках, расположенных от нее на расстоянии d₁, при этом эти точки являются входными линиями передачи направленной вибраторной антенны и подключены к выходным линиям передачи согласующе-симметрирующего устройства, входная линия передачи которого является входным каналом направленной вибраторной антенны и выполнена на отрезке коаксиальной линии передачи, а металлические проводники вибраторов со стороны других концов пересекают другую координатную прямую, перпендикулярную одной координатной плоскости в точках, расположенных от нее на расстоянии d₂, отличающаяся тем, что металлический проводник вибратора направленной вибраторной антенны выполнен в форме, огибающая которой исходит из точки одного конца металлического проводника, расположенной на расстоянии d₁ относительно одной координатной плоскости, в направлении точки другого конца металлического проводника расходящимися лучами с острым углом θ раскрыва, при этом внешний луч, по отношению к продольной оси направленной вибраторной антенны, составляет с ней угол ψ и переходит во внешний нелинейный участок огибающей с выпуклым искривлением, радиус кривизны которого уменьшается с увеличением расстояния от точки одного конца металлического проводника к точке другого конца, и переходит в первый нелинейный участок огибающей, выполненный в форме овала, при этом, длина перпендикуляра h к огибающей в точке перегиба первого нелинейного участка огибающей до продольной оси направленной вибраторной антенны определяет размер ширины вибратора, а внутренний луч переходит во внутренний нелинейный участок огибающей с вогнутым искривлением, радиус кривизны которого уменьшается с увеличением расстояния от точки одного конца металлического проводника вибратора к точке другого конца, который затем переходит во второй нелинейный участок огибающей, выполненный в форме овала, точка перегиба которого соответствует точке, лежащей на другой координатной прямой на расстоянии d₂ от одной координатной плоскости, при этом большая ось овала составляет угол Ф с продольной осью направленной вибраторной антенны. 2. Направленная вибраторная антенна по п. 1, отличающаяся тем, что каждый вибратор выполнен, по крайней мере, из двух идентичных металлических проводников, которые со стороны одних концов гальванически соединены между собой. 3. Направленная вибраторная антенна по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что острый угол раскрыва θ составляет от 20 до 40^o. 4. Направленная вибраторная антенна по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что угол ψ' выбирается из условия ≥45^o. 5. Направленная вибраторная антенна по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что большая ось составляет с продольной осью направленной вибраторной антенны угол Ф от 60 до 105^o. 6. Направленная вибраторная антенна по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что металлические проводники выполнены в печатном исполнении на диэлектрической подложке. 7. Направленная вибраторная антенна по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что поверхности металлических проводников покрыты радиопрозрачным диэлектрическим материалом. 8. Направленная вибраторная антенна по п. 7, отличающаяся тем, что в качестве радиопрозрачного диэлектрического материала используются диэлектрические материалы на вспененной основе. 9. Направленная вибраторная антенна по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что металлические проводники выполнены в виде металлических пластин. 10. Направленная вибраторная антенна по п. 9, отличающаяся тем, что внутренняя часть поверхности металлических пластин выполнена в виде металлической решетки. 11. Направленная вибраторная антенна по п. 9, отличающаяся тем, что внутренняя часть поверхности металлических пластин выполнена в виде металлических проводников, продольно ориентированных по отношению к продольной оси направленной вибраторной антенны. 12. Направленная вибраторная антенна по п. 9, отличающаяся тем, что внутренняя часть поверхности металлических пластин выполнена в виде металлических проводников, поперечно ориентированных по отношению к продольной оси направленной вибраторной антенны. 13. Направленная вибраторная антенна по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что металлические проводники выполнены в виде ленточных проводников зигзагообразной формы, одни изгибы которых расположены на внешней огибающей металлического проводника, а другие изгибы, противоположные одним изгибам, расположены на внутренней огибающей контура металлического проводника вибратора. 14. Направленная вибраторная антенна по п. 13, отличающаяся тем, что ленточные проводники зигзагообразной формы выполнены переменной ширины. 15. Направленная вибраторная антенна по п. 13, отличающаяся тем, что ленточный проводник выполнен в форме прямоугольного изгиба. 16. Направленная вибраторная антенна по п. 13, отличающаяся тем, что ленточный проводник выполнен в форме синусоидального изгиба. 17. Направленная вибраторная антенна по п. 13, отличающаяся тем, что ленточный проводник выполнен в форме трапецеидального изгиба. 18. Направленная вибраторная антенна по п. 13, отличающаяся тем, что ленточный проводник выполнен в форме треугольного изгиба. 19. Направленная вибраторная антенна по п. 13, отличающаяся тем, что к точкам со стороны других концов металлических проводников, выполненных зигзагообразной формы, подключены согласованные нагрузки. 20. Направленная вибраторная антенна по п. 13, отличающаяся тем, что к точкам со стороны других концов металлических проводников, выполненных зигзагообразной формы, подключены емкостные нагрузки.