КОМПАКТНАЯ ВЕРТИКАЛЬНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЁТКА ИЗ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ВИБРАТОРОВ, ПРОСТРАНСТВЕННО СОВМЕЩЁННЫХ С ОПОРОЙ Российский патент 2016 года по МПК H01Q21/20 H01Q9/18 

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено, в частности, для использования в качестве передающей, приемной или приемо-передающей антенны в системах подвижной (сухопутной, воздушной, морской) радиосвязи в метровом и дециметровом диапазонах волн.

В системах подвижной радиосвязи обычно требуется всенаправленное излучение и прием вертикально поляризованных электромагнитных волн. В ряде случаев, например, при организации подвижной радиосвязи в горных районах требуется наклон диаграммы направленности в вертикальной плоскости. При этом зачастую имеют место сложные условия эксплуатации с точки зрения воздействия климатических факторов - ветровых и гололедных нагрузок и т.д.

Очевидно, что для реализации указанных требований к характеристикам направленности и сложных условий эксплуатации лучше всего подходит антенная решетка, конструкция которой по форме представляет собой вертикальный стержень. С точки зрения пространственных форм такое конструктивное исполнение предполагает пространственное совмещение вибраторов с несущей металлической опорой. Среди известных решений, реализующих такое исполнение, можно выделить вертикальный коаксиальный вибратор, описанный в книге Вершкова М.В., Миротворского О.Б. «Судовые антенны», 3-е изд., перераб. и доп., - Л.: Судостроение, 1990, с. 190-192, рисунок 6.3 [1]. Такой вибратор выполнен на основе четвертьволновых коаксиальных резонаторов, внешние поверхности внешнего проводника (экрана) которых используются в качестве излучающих плеч вибратора, а внутренние, электрически локально-соединенные с металлической опорой в форме трубы (далее по тексту - опора), образуют четвертьволновые изоляторы. Антенна имеет равномерную по азимуту диаграмму направленности, отвечает требованиям компактности, удобства реализации диэлектрического укрытия и установки в сложных климатических условиях. Однако потенциальные возможности, обусловленные положительными свойствами резонаторов, в данной антенне реализованы не в полной мере; реализована лишь возможность изоляции вибратора от опоры по высокой частоте (в частотной области вблизи четвертьволнового резонанса). При этом не приняты меры по взаимной изоляции (развязке) вибраторов в случае реализации на основе них компактной антенной решетки (с близкорасположенными вибраторами). По этой причине данное решение принципиально может представлять собой только одиночный вибратор. Таким образом, из недостатков, присущих решению, можно выделить малый коэффициент усиления такой антенны, типичный для одиночных вибраторов, кроме того, отсутствует возможность наклона диаграммы направленности в вертикальной плоскости.

Из других аналогичных решений можно выделить вертикальный коаксиальный вибратор, описанный в патенте РФ №2101810, МПК⁶ H01Q 9/18, заявл. 19.02.96, опубл. 10.01.98 [2], конструкция которого схожа с описанным в книге Вершкова М.В., Миротворского О.Б. «Судовые антенны», 3-е изд., перераб. и доп., - Л.: Судостроение, 1990, с. 190-192, рисунок 6.3 [1]. Однако имеется принципиальное отличие, которое частично устраняет недостаток этого изобретения - малое усиление. Соосные опоре металлические цилиндры, образующие коаксиальные резонаторы, выполнены удлиненными, что соответствует удлинению плеч вибратора и увеличению усиления. При этом с целью обеспечения прежней частоты четвертьволнового резонанса в резонаторы введены перемычки (короткозамыкатели), а также специальная двухпроводная линия. Однако данные улучшения не снимают ограничения на число вибраторов. Вибратор, как и в антенне, описанной в книге Вершкова М.В., Миротворского О.Б. «Судовые антенны», 3-е изд., перераб. и доп., - Л.: Судостроение, 1990, с. 190-192, рисунок 6.3 [1], один, каких-либо мер по обеспечению развязки при реализации на основе антенны компактной решетки также не предусмотрено. Поэтому решение, хотя и обеспечивает увеличение усиления относительно антенны, описанной в книге Вершкова М.В., Миротворского О.Б. «Судовые антенны», 3-е изд., перераб. и доп., - Л.: Судостроение, 1990, с. 190-192, рисунок 6.3 [1], имеет в этом смысле ограниченные возможности.

Из альтернативных решений, реализующих достаточное для большинства случаев усиление, можно выделить коллинеарную антенну, описанную в книге Вершкова М.В., Миротворского О.Б. «Судовые антенны», 3-е изд., перераб. и доп., - Л.: Судостроение, 1990, с. 193-194, рисунок 6.5 [1]. Антенна представляет собой вертикальную антенную решетку из N полуволновых коаксиальных вибраторов (где N>1 - число вибраторов), совмещенных с опорой и возбуждаемых синфазно с помощью коаксиальной линии, расположенной внутри опоры. Питающая линия состоит из каскадно включенных полуволновых отрезков, места соединений которых являются точками питания вибраторов. Антенна позволяет получить требуемое усиление при теоретически неограниченном числе элементов, а также, как и описанные выше решения, отвечает требованиям удобства реализации диэлектрического укрытия. Решение, однако, имеет ряд недостатков, существенно ограничивающих область его применения. Прежде всего, ввиду особенностей коаксиальной конструкции вибраторов, будет наблюдаться неизбежная ассиметрия токов на верхнем и нижнем плечах каждого из вибраторов за счет разницы электрических длин. При этом часть опоры будет выступать продолжением верхнего плеча вибратора, что может привести к затеканию токов на опору и искажению диаграммы направленности антенны. При сближении же вибраторов неизбежно ухудшается развязка между ними за счет возрастания торцевой емкости и отсутствия специальных мер по ее компенсации. Также, недостатком является то, что антенна представляет собой антенную решетку последовательного питания, в которой вибраторы как нагрузки системы питания включены в питающую линию каскадно. При таком включении электрические длины отрезков питающей линии между вибраторами линейно зависят от частоты, в результате чего амплитуды возбуждения вибраторов могут оказаться неоптимальными. Все это крайне отрицательно сказывается на диапазонных свойствах антенны. Кроме того, при таком способе питания весьма проблематичным оказывается управление наклоном диаграммы направленности в вертикальной плоскости (без вмешательства в конструкцию излучающей части антенны). Такое управление может быть полезно, например, для реализации адаптивных антенн с высоким коэффициентом направленного действия.

Наиболее близким по своей технической сущности изобретением к заявляемому изобретению является коллинеарная антенная система, описанная в патенте РФ №2157581, МПК⁷ H01Q 21/10, заявл. 26.01.1999, опубл. 10.10.2000 [3] и выбранная в нашем изобретении в качестве прототипа. Коллинеарная антенная система представляет собой вертикальную решетку из N элементов (где N>1 - число элементов), на основе бикоаксиальных (в терминологии авторов работы [3]) полуволновых вибраторов. Верхнее плечо каждого из таких вибраторов выполнено из двух коаксиально расположенных цилиндров - металлических изоляторов, ориентированных раскрывами в противоположные стороны. Внутренний цилиндр имеет длину, равную четверти средней длины волны и в верхней части электрически соединен с опорой. Внешний же цилиндр верхнего плеча имеет ту же длину и электрически соединен с нижней частью внутреннего цилиндра. Внутренняя поверхность внутреннего цилиндра образует с наружной поверхностью опоры металлический изолятор. Внешняя поверхность внутреннего цилиндра и внутренняя поверхность внешнего цилиндра также образуют металлический изолятор. Такая конструкция верхнего плеча вибратора препятствует затеканию токов на наружную поверхность несущей опоры, обеспечивая симметрию токов на верхнем и нижнем плечах вибраторов. Имеется, однако, ряд существенных недостатков решения. На первый план выступает сложность конструкции, обусловленная наличием двойного изолятора в верхнем плече каждого вибратора. Известно также, что эффективность развязки, обеспечиваемой металлическим четвертьволновым изолятором тем выше, чем больше волновое сопротивление линии, на основе которой он построен. При этом выполнение условия симметрии токов на верхнем и нижнем плечах бикоаксиального вибратора предполагает, что волновые сопротивления металлических изоляторов, входящих в состав верхнего плеча, окажутся близкими по значению. Это, в свою очередь, подразумевает взаимную пропорциональность радиусов опоры, внешнего и внутреннего цилиндров коаксиальных линий. Другими словами, радиусы при переходе от опоры к внешнему цилиндру будут увеличиваться по закону геометрической прогрессии. При сопротивлении порядка 40 Ом радиус внешнего цилиндра окажется приблизительно в 4 раза больше радиуса опоры, что приведет к ухудшению массо-габаритных характеристик, увеличению громоздкости конструкции, возрастанию парусности, играющей ключевую роль при эксплуатации в условиях сильных ветровых и гололедных нагрузок. Кроме того, большой радиус внешнего цилиндра при локальном возбуждении плеч вибратора (одна точка питания, с одинаковыми азимутальными координатами для всех N вибраторов) не только не улучшает, а, напротив, может привести к ухудшению азимутальной неравномерности диаграммы направленности антенны. В дополнение следует отметить, что решение позволяет улучшить развязку вибраторов лишь относительно опоры и становится принципиально неэффективным с точки зрения повышения взаимной развязки вибраторов. Это связано с тем обстоятельством, что для взаимной развязки определяющими являются два фактора: связь через ток, наводимый в опоре и непосредственная связь через торцевую емкость. Данное решение позволяет минимизировать только первый фактор и практически не влияет на второй, который в свою очередь становится гораздо более существенным при близком расположении коаксиальных вибраторов. Более того, переход к бикоаксиальному исполнению вибраторов по сравнению с коаксиальным при сохранении того же волнового сопротивления металлических изоляторов предполагает увеличение внешнего диаметра конструкции примерно в 2 раза. Хорошо известно, однако, что торцевая емкость С_т в этом случае будет увеличиваться пропорционально квадрату диаметра d, т.е. С_т~d². Так, при фиксированной ширине зазора между вибраторами, увеличение диаметра в 2 раза приведет к возрастанию С_т в 4 раза, что опять-таки приведет к ухудшению взаимной развязки вибраторов. Таким образом, существующие ограничения не позволяют в полной мере использовать преимущества данного решения, очерчивая довольно узкий круг его применимости.

Целью настоящего изобретения является разработка компактной вертикальной антенной решетки (КВАР) из вертикальных вибраторов, пространственно совмещенных с опорой, которая в полной мере удовлетворяет всем указанным требованиям.

Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются:

- реализация равномерной по азимуту диаграммы направленности с возможностью управляемого наклона в вертикальной плоскости при обеспечении независимого возбуждения вибраторов (вследствие хорошей взаимной развязки - возможность организации схемы параллельного питания);

- обеспечение требуемого усиления при теоретически неограниченном числе элементов;

- создание простой, компактной и дешевой в изготовлении конструкции, которая бы позволила легко поместить антенну внутри диэлектрического укрытия и обеспечить возможность работы в жестких климатических условиях.

Сущность изобретения состоит в построении КВАР с хорошо развязанными элементами, совмещенной с опорой, без теоретических ограничений на число вибраторов и, соответственно, на усиление. При этом заявляемое решение предполагает построение вибраторов на основе коаксиальных резонаторов, но, в отличие от прототипа, реализует иной способ обеспечения развязки вибраторов, не приводящий к излишнему усложнению конструкции и ухудшению массо-габаритных характеристик. При этом заявляемое решение рационально объединяет в себе положительные свойства прототипа (а также антенн, описанных в книге Вершкова М.В., Миротворского О.Б. «Судовые антенны», 3-е изд., перераб. и доп., - Л.: Судостроение, 1990, с. 190-194, рисунок 6.3, 6.5 [1] и в патенте РФ №2101810, МПК⁶ H01Q 9/18, заявл. 19.02.1996, опубл. 10.01.1998 [2]) и обычных вибраторных антенных решеток с консольным расположением излучателей на опоре. С точки зрения пространственной формы конструкции заявляемое решение представляет собой вертикальный стержень небольшого диаметра, который достаточно просто поместить в диэлектрическое укрытие. Например, для волнового сопротивления четвертьволновых изоляторов 40 Ом:

D₂≤2(D₁+t),

где D₂ - внешний диаметр вибраторов;

D₁ - внешний диаметр несущей опоры;

t - толщина стенки плеч вибраторов.

Благодаря этому достигается высокая стойкость к воздействию ветровых и гололедных нагрузок и прочих климатических факторов. Кроме того, за счет небольшого диаметра, такое решение обеспечивает круговую азимутальную диаграмму направленности при локальном возбуждении вибраторов (в одной точке по периметру с одинаковыми азимутальными координатами для всех N вибраторов φ_k=const, где k - порядковый номер вибратора). С другой стороны, заявляемое решение подобно обычной вибраторной антенной решетке может представлять собой решетку параллельного питания с хорошо развязанными элементами. Благодаря этому обеспечивается высокое усиление при достаточной диапазонности (устойчивая работа в диапазоне до 20%), возможности наклона диаграммы направленности в вертикальной плоскости и т.д.

Технический результат достигается построением КВАР с возможностью параллельного питания на основе близко расположенных и, одновременно, хорошо развязанных вертикальных коаксиальных вибраторов (полуволновых, удлиненных полуволновых либо волновых), причем четвертьволновые металлические изоляторы, образуемые внутренними поверхностями экрана таких вибраторов, выполнены укороченными на величину, определяемую из условия компенсации торцевой емкости вибраторов, что в совокупности с использованием самих четвертьволновых изоляторов позволяет добиться развязывающего эффекта для изоляции вибраторов друг от друга и от несущей опоры по высокой частоте.

Для лучшего понимания существа заявляемого изобретения далее приводятся его пояснения с привлечением графических материалов:

фиг. 1 - пример реализации КВАР, выполненной на основе 3-х укороченных вертикальных коаксиальных полуволновых вибраторов;

фиг. 2 - резонатор (плечо вибратора) в разрезе (стрелкой показана плоскость с развязывающим импедансом Z);

фиг. 3 - узел питания вибратора;

фиг. 4, фиг. 5 - расчетные диаграммы направленности КВАР в вертикальной плоскости (для случая, изображенного на фиг. 1) без наклона луча на нижней и верхней частотах диапазона соответственно;

фиг. 6, фиг. 7 - расчетные диаграммы направленности КВАР в вертикальной плоскости (для случая, изображенного на фиг. 1) с наклоном луча около 15° на нижней и верхней частотах диапазона соответственно;

фиг. 8 - пример реализации КВАР на основе вертикальных коаксиальных полуволновых вибраторов с укороченными резонаторами: (а) - модификация с утолщенными перемычками, (б) - модификация с дополнительными перемычками;

фиг. 9 - пример реализации КВАР с удлиненными вибраторами и укороченными резонаторами;

фиг. 10 - пример реализации КВАР на основе вертикальных коаксиальных волновых вибраторов с укороченными резонаторами.

Один из вариантов предлагаемого технического решения представляет собой систему коаксиальных четвертьволновых резонаторов, соосных опоре. Число резонаторов и, соответственно, вибраторов теоретически не ограничено (ограничения обусловлены только конструктивными соображениями). На фиг. 1 показан пример реализации такой решетки из трех вибраторов (λ - средняя длина волны). Опора 1 представляет собой металлическую трубу, установленную вертикально. На опоре, соосно с ней, установлены резонаторы 2 в количестве 6 шт. Каждый из вибраторов 3, 4, 5 образован внешними поверхностями металлических цилиндров двух смежных резонаторов. Составляющие вибратор резонаторы являются его плечами (нижним и верхним). Антенна может быть легко размещена внутри диэлектрического укрытия 6 (показано схематично).

Резонатор показан на фиг. 2 (здесь и на последующих фигурах диэлектрическое укрытие не показано). Он представляет собой металлический цилиндр 2, соосный опоре 1. В верхнем сечении цилиндр электрически соединен с опорой посредством перемычки 7, которая может быть выполнена в виде металлического кольца, шайбы или каким-либо иным образом. В нижнем сечении электрический контакт между резонатором и опорой отсутствует. При таком исполнении резонатора совместно с опорой образует коаксиальный шлейф, который в области частоты четвертьволнового резонанса имеет большой (по модулю) входной импеданс (импеданс Z на фиг. 2), препятствующий (в нижнем сечении резонатора) перетеканию тока с внешней поверхности цилиндра на внешнюю поверхность опоры и наоборот (развязывающий эффект).

Обладая указанным свойством, резонаторы выполняют функцию металлических изоляторов и обеспечивают:

1) изоляцию точек питания вибраторов, а также нижнего плеча нижнего вибратора от опоры (реализовано в прототипе);

2) изоляцию вибраторов друг от друга (в прототипе не реализовано).

При реализации параллельной схемы питания, как наиболее обобщенного случая, возбуждение каждого вибратора осуществляется отдельным коаксиальным фидером (кабелем). Фидеры всех вибраторов в такой схеме проложены внутри опоры. Азимуты точек питания каждого вибратора φ_k могут быть как одинаковыми - φ_k=const, так и изменяться от вибратора к вибратору с заданной периодичностью - φ_k+1=φ_k+Δφ, при этом угловые разности Δφ=360°/N, где N - число вибраторов.

Для улучшения уровня развязки с опорой ниже первого (нижнего) этажа КВАР может быть установлен дополнительный незапитываемый коаксиальный резонатор, играющий роль дополнительного изолятора, препятствующего затеканию ВЧ-токов на поверхность опоры и, соответственно, ее возбуждению. Конструктивная реализация такого резонатора не отличается от исполнения плеч вибраторов решетки. При этом, он может быть ориентирован как раскрывом вверх (в сторону вибратора), так и вниз. При ориентации раскрывом вверх, длина металлического участка от раскрыва нижнего плеча вибратора первого этажа до раскрыва дополнительного резонатора не должна превышать четверть средней длины волны рабочего диапазона во избежание сильного влияния на характеристики КВАР. Из антенной техники хорошо известно, что «рассечение» опоры на участки, близкие по длине к четвертьволновым, позволяет минимизировать ее влияние на характеристики антенны. При ориентации же резонатора раскрывом вниз, длина свободного участка опоры выбрана минимальной (менее 1/8 средней длины волны), таким образом, общая длина металлического участка, образуемого свободной частью опоры и внешней поверхностью резонатора не превышает 3/8 средней длины волны рабочего диапазона. Это позволило минимизировать влияние такого резонатора на КВАР.

С точки зрения эксплуатационных особенностей дополнительного резонатора (особенно при ориентации его раскрывом вверх), а также резонаторов, выполняющих роль плеч вибраторов, и исполнения перемычки в виде кольца или шайбы, в конструкции перемычки предусмотрены дренажные отверстия для предотвращения накопления конденсата. Ввиду малого по сравнению с длиной волны диаметра такие отверстия не оказывают существенного влияния на взаимную развязку вибраторов и другие характеристики КВАР. Дренажные отверстия на рисунках не показаны.

На фиг. 3 показан узел питания вибратора. В сечении между нижним и верхним плечами вибратора в опоре имеется отверстие 8, к которому подводится фидер 10 данного вибратора. Экран фидера 11 (оплетка кабеля) в зоне отверстия электрически соединяется с опорой 1, а его центральный проводник 12 (центральная жила кабеля) - с нижней кромкой цилиндра верхнего плеча (точка питания вибратора 9).

На фиг. 4-7 в качестве примера приведены расчетные диаграммы направленности в вертикальной плоскости трехвибраторной антенной решетки, рассчитанной на диапазон дуплексной радиосвязи 200 МГц (поддиапазон приема) - 230 МГц (поддиапазон передачи). На фиг. 4 и фиг. 5 приведены диаграммы направленности без наклона главных лепестков (в поддиапазонах приема и передачи, соответственно); на фиг. 6 и фиг. 7 - диаграммы направленности с наклоном (также в поддиапазонах приема и передачи, соответственно). Там же приведены расчетные значения коэффициента направленного действия. Азимутальные диаграммы направленности во всех случаях - идеально круговые. Из представленных данных видно, что предлагаемое техническое решение позволяет получить характеристики, типичные для обычных вибраторных антенных решеток (включая возможность наклона диаграммы направленности).

В рассмотренном выше варианте технического решения использованы четвертьволновые коаксиальные резонаторы, совокупность которых образует решетку вертикальных коаксиальных полуволновых вибраторов. Однако техническая идея, положенная в основу данного решения, имеет все необходимые предпосылки для своего развития и создания на этой основе иных вариантов. В частности, имеется возможность укорочения лишь полостей вертикальных коаксиальных резонаторов без изменения длины вибраторов, а также различные возможности удлинения вибраторов в целях повышения усиления антенной решетки, что реализуется во втором и третьем вариантах решений заявляемого изобретения.

Во втором варианте заявляемого решения, фиг. 8, использованы вибраторы длиной λ/2, однако, полости коаксиальных резонаторов, как и в предыдущем варианте, используются длиной менее λ/4. Это достигается либо утолщением перемычки, расположенной в верхней плоскости каждого вибратора, как это показано на фиг. 8а, либо введением дополнительной перемычки, как это показано на фиг. 8б.

Модификацией второго варианта заявляемого решения является конструкция, где использованы вибраторы, длиннее λ/2. Данный вариант показан на фиг. 9. Металлические цилиндры 2, образующие плечи вибраторов (внешними поверхностями) и коаксиальные резонаторы (внутренними поверхностями совместно с опорой 1), имеют длину l>λ/4.

При этом для сохранения прежней частоты четвертьволнового резонанса металлические цилиндры 2 и опора 1 гальванически соединены между собой перемычками 7 на расстоянии от нижнего сечения резонатора меньшим λ/4. Благодаря удлинению вибраторов, обеспечивается увеличение усиления КВАР при неизменном количестве ее элементов (вибраторов) и, соответственно, без усложнения схемы питания.

В третьем варианте заявляемого решения использованы волновые вибраторы. Данный вариант показан на фиг. 10. Металлические цилиндры 2, образующие плечи вибраторов (внешними поверхностями) и коаксиальные резонаторы (внутренними поверхностями совместно с опорой 1), имеют длину, примерно равную λ/2. При этом плечи вибратора являются полуволновыми, а вибратор - волновым. В средней части каждого металлического цилиндра имеется перемычка 7, выполненная в виде металлического кольца, шайбы или каким-либо иным образом. В результате на основе каждого металлического цилиндра формируются два четвертьволновых коаксиальных резонатора, один из которых изолирует точку питания, а второй - конец плеча от опоры. Возбуждение вибратора в данном варианте осуществляется известным бикоаксиальным фидером 10, представляющим собой пару противофазно возбуждаемых коаксиальных фидеров. Реализация волновых вибраторов позволяет добиться максимального усиления от одного элемента решетки. При этом и усиление решетки оказывается максимизированным при данном количестве ее элементов.

Рассмотрим работу первого варианта заявляемого устройства (см. фиг. 3). Каждый коаксиальный вибратор, входящий в состав КВАР, питается своим независимым коаксиальным фидером, проложенным внутри опоры 1. В фидере может распространяться только Т-волна; при этом ток, вытекающий из такого фидера по центральному проводнику (ток I₁) равен току, втекающему в фидер по внутренней поверхности его экрана (ток I₂): I₁=I₂. Для тока I₁ имеются два пути распространения - внешняя и внутренняя поверхности металлического цилиндра верхнего плеча 2.1 (токи I_1.1 и I_1.2 соответственно; при этом в силу закона Кирхгофа для узла цепи I_1.1+I_1.2). Однако второй путь сопровождается возбуждением коаксиального резонатора, образующего верхнее плечо вибратора. Но, как уже отмечалось, входной импеданс резонатора (импеданс Z₁) вблизи частоты четвертьволнового резонанса велик по модулю, следовательно, ток I₁ в основном перетекает на внешнюю поверхность металлического цилиндра, возбуждая верхнее плечо вибратора, и только малая его часть перетекает на внутреннюю поверхность металлического цилиндра: |I_1.1|>>|I_1.2|. Ток I₂ также складывается из двух токов: тока I_2.1, текущего по внешней поверхности цилиндра нижнего плеча 2.2, и тока I_2.2, вытекающего из коаксиального резонатора верхнего плеча по внешней поверхности опоры. При этом |I_2.1|>>|I_2.2|, поскольку I_2.2=I_1.2. Из последнего равенства также следует, что I_2.1=I_1.1 - вибратор всегда возбуждается симметрично. А коль скоро |I_1.1|>>|I_1.2| и |I_2.1|>>|I_2.2| входной импеданс коаксиального резонатора почти не шунтирует вход вибратора, т.е. обеспечивается изоляция точки питания вибратора от опоры. Конечно, при работе в диапазоне частот какое-то шунтирующее действие резонатора всегда будет иметь место, однако его можно использовать для улучшения согласования, подобно тому, как это делается, например, в известном шунтовом вибраторе.

В верхнем сечении верхнего плеча вибратора ток с внешней поверхности цилиндра резонатора по перемычке 7 свободно перетекает на опору, возбуждая ее, что нежелательно, так как может привести к асимметрии плеч вибраторов и соответствующему искажению диаграммы направленности. Указанный эффект, однако, тем слабее проявляет себя, чем ближе друг к другу расположены вибраторы, что происходит за счет уменьшения свободных участков опоры, удлиняющих верхние плечи вибраторов. Однако при достаточно близком расположении вибраторов будет наблюдаться сильная связь между ними, обусловленная наличием большой торцевой емкости. Для компенсации этой емкости с целью улучшения взаимной развязки вибраторов в предлагаемой антенной решетке параллельного питания применяются несколько укороченные коаксиальные резонаторы, выполняющие роль четвертьволновых металлических изоляторов. При этом индуктивный импеданс раскрыва таких резонаторов, реализуемый за счет укорочения, выбирается таким образом, чтобы на средней длине волны диапазона точно компенсировать емкостный импеданс, возникающий из-за влияния торцевой емкости, возникающей между раскрывом нижнего плеча k-го вибратора и перемычкой 7 верхнего плеча k-1-го вибратора. Тем самым обеспечивается изоляция вибраторов друг от друга.

Перетеканию тока с нижнего плеча нижнего (k=1) вибратора на поверхность опоры препятствует большой (по модулю) входной импеданс коаксиального резонатора, образующего это плечо (импеданс Z₂). Таким образом, обеспечивается изоляция нижнего плеча нижнего вибратора от опоры и тем самым подавляется нежелательный антенный эффект, обусловленный возбуждением опоры.

Изоляция вибраторов друг от друга и от опоры (точек питания и нижней кромки нижнего плеча нижнего вибратора) позволяет строить вибраторные антенные решетки вертикальной поляризации при практически идеально круговой азимутальной диаграмме направленности. Теоретические ограничения на число вибраторов отсутствуют, и это позволяет добиваться необходимого усиления при компактности вертикальных размеров решетки. Возбуждение вибраторов отдельными фидерами (параллельная схема питания) позволяет достаточно просто (как и в обычных вибраторных антенных решетках) реализовывать необходимые амплитудно-фазовые распределения питания, обеспечивая максимизацию усиления, наклон диаграммы направленности в вертикальной плоскости (при необходимости) и т.д.

Принцип работы второго варианта заявляемого решения аналогичен вышеописанному случаю с той лишь разницей, что укорачиваются только полости резонаторов, а длина плеч вибраторов сохраняется полуволновой либо, напротив, удлиняется. Это позволяет в некоторых пределах варьировать коэффициент усиления соответствующего вибратора при сохранении взаимной их развязки.

Принцип работы третьего варианта заявляемого решения также аналогичен первому случаю, однако, здесь разделение по ВЧ смежных вибраторов осуществляется более эффективным образом, поскольку на пути тока присутствует удвоенный развязывающий импеданс, формируемый соответствующими металлическими изоляторами, причем улучшение развязывающего эффекта проявляется как в узлах питания, так и между торцами смежных вибраторов. Также отличительной чертой варианта является использование симметричного питания плеч вибратора.

Рассмотренные физические механизмы функционирования предлагаемой КВАР соответствуют ее работе на излучение. В силу принципа взаимности те же антенные характеристики будут иметь место и в режиме приема.

Следует учитывать, что вышеизложенное описание приведено с целью иллюстрации заявляемого изобретения, поэтому специалистам должно быть ясно, что возможны различные модификации и изменения, не противоречащие букве и духу испрашиваемого в данной заявке объема охраны.

Источники информации

1. Вершков М.В., Миротворский О.Б. Судовые антенны. - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1990. - 304 с.

2. Патент РФ №2101810 С1. Вертикальный коаксиальный вибратор. Варюхин А.С. (RU), Жиряков В.Д. (RU), Попов О.В. (RU) и др. Заявка: 96103136/09, 19.02.1996. Опубликовано: 10.01.1998. Патентообладатель: Военная академия связи (RU).

3. Патент РФ №2157581 С1. Коллинеарная антенная система бикоаксиальных полуволновых вибраторов. Колтовской С.A. (RU), Крачковский А.Б. (RU), Вандышев М.С. (RU) и др. Приоритет от 26.01.1999. Заявка: 99101810/09, 26.01.1999. Опубликовано: 10.10.2000. Патентообладатель: Государственное унитарное предприятие Воронежский научно-исследовательский институт связи (RU).

Изобретение относится к радиотехнике. Технический результат - организация схемы параллельного питания; достижение требуемого усиления при неограниченном числе элементов; и создание простой конструкции. Для этого предложена компактная вертикальная антенная решетка с построением вибраторов на основе коаксиальных резонаторов, при отсутствии ограничений на число элементов и усиление. Она реализуется в виде вертикального стержня с возможностью размещения его в диэлектрическом укрытии, выполненном в форме трубы. Развязка между излучателями реализована посредством использования четвертьволновых коаксиальных резонаторов, которые конструктивно разделяют излучатели, где длины таких резонаторов реализуются укороченными на величину, определяемую из условия компенсации паразитных емкостей, возникающих между торцевыми поверхностями смежных вибраторов. Этим достигается независимое параллельное питание излучателей при их близком расположении и компактных размерах антенной решетки. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Компактная вертикальная антенная решетка, содержащая несущую металлическую опору в форме трубы, на которой расположены N вертикальных вибраторов, причем верхнее и нижнее плечи каждого вибратора выполнены в виде соосных опоре металлических цилиндров, электрически соединенных с опорой в верхних частях, отличающаяся тем, что металлические цилиндры, образующие внешними поверхностями плечи всех N вибраторов, а внутренними поверхностями совместно с опорой коаксиальные резонаторы, выполнены укороченными по отношению к четверти средней длины волны, а длина свободного участка опоры между вибраторами меньше четверти средней длины волны рабочего диапазона.

2. Антенная решетка по п. 1, отличающаяся тем, что ниже первого, если считать снизу, вибратора установлен дополнительный незапитываемый коаксиальный резонатор, ориентированный раскрывом вверх и расположенный, если считать от плоскости раскрыва резонатора, на расстоянии менее четверти средней длины волны от плоскости раскрыва нижнего плеча вибратора.

3. Антенная решетка по п. 1, отличающаяся тем, что ниже первого, если считать снизу, вибратора установлен дополнительный незапитываемый коаксиальный резонатор, ориентированный раскрывом вниз и расположенный, если считать от плоскости перемычки, на расстоянии менее четверти средней длины волны от плоскости раскрыва нижнего плеча вибратора.

4. Антенная решетка по п. 1, отличающаяся тем, что каждый вибратор питается отдельным коаксиальным кабелем, проложенным внутри опоры.

5. Антенная решетка по п. 1, отличающаяся тем, что элементы конструкции размещены внутри диэлектрического укрытия в форме трубы.

6. Компактная вертикальная антенная решетка, содержащая несущую металлическую опору в форме трубы, на которой расположены N вертикальных вибраторов, причем верхнее и нижнее плечи каждого вибратора выполнены в виде соосных опоре металлических цилиндров, электрически соединенных с опорой в верхних частях, отличающаяся тем, что металлические полости коаксиальных резонаторов всех N вибраторов выполнены укороченными по отношению к четверти средней длины волны, для чего в резонаторы введены перемычки, выполняемые в виде колец или шайб; при этом длина свободного участка опоры между вибраторами меньше четверти средней длины волны рабочего диапазона.

7. Антенная решетка по п. 6, отличающаяся тем, что металлические цилиндры, образующие плечи вибраторов, выполнены удлиненными по отношению к четверти средней длины волны рабочего диапазона.

8. Антенная решетка по п. 6, отличающаяся тем, что ниже первого, если считать снизу, вибратора установлен дополнительный незапитываемый коаксиальный резонатор, ориентированный раскрывом вверх и расположенный, если считать от плоскости раскрыва резонатора, на расстоянии менее четверти средней длины волны от плоскости раскрыва нижнего плеча вибратора.

9. Антенная решетка по п. 6, отличающаяся тем, что ниже первого, если считать снизу, вибратора установлен дополнительный незапитываемый коаксиальный резонатор, ориентированный раскрывом вниз и расположенный, если считать от плоскости перемычки, на расстоянии менее четверти средней длины волны от плоскости раскрыва нижнего плеча вибратора.

10. Антенная решетка по п. 6, отличающаяся тем, что каждый вибратор питается отдельным коаксиальным кабелем, проложенным внутри опоры.

11. Антенная решетка по п. 6, отличающаяся тем, что элементы конструкции размещены внутри диэлектрического укрытия в форме трубы.

12. Компактная вертикальная антенная решетка, содержащая несущую металлическую опору в форме трубы, на которой расположены N вертикальных вибраторов, причем верхнее и нижнее плечи каждого вибратора выполнены в виде соосных опоре металлических цилиндров, отличающаяся тем, что каждый металлический цилиндр, образующий плечо вибратора, имеет длину, равную половине средней длины волны, причем во внутренней полости каждого цилиндра установлена перемычка, выполняемая в виде кольца или шайбы, равноудаленная от концов цилиндра, так, что в полости формируются два коаксиальных резонатора, причем длина каждого из N таких резонаторов меньше четверти средней длины волны; при этом длина свободного участка опоры между вибраторами меньше четверти средней длины волны рабочего диапазона.

13. Антенная решетка по п. 12, отличающаяся тем, что ниже первого, если считать снизу, вибратора установлен дополнительный незапитываемый коаксиальный резонатор, ориентированный раскрывом вверх и расположенный, если считать от плоскости раскрыва резонатора, на расстоянии менее четверти средней длины волны от плоскости раскрыва нижнего плеча вибратора.

14. Антенная решетка по п. 12, отличающаяся тем, что ниже первого, если считать снизу, вибратора установлен дополнительный незапитываемый коаксиальный резонатор, ориентированный раскрывом вниз и расположенный, если считать от плоскости перемычки, на расстоянии менее четверти средней длины волны от плоскости раскрыва нижнего плеча вибратора.

15. Антенная решетка по п. 12, отличающаяся тем, что каждый вибратор питается двумя отдельными коаксиальными кабелями, проложенными внутри опоры.

16. Антенная решетка по п. 12, отличающаяся тем, что элементы конструкции размещены внутри диэлектрического укрытия в форме трубы.