МАЛОГАБАРИТНАЯ СВЕРХНАПРАВЛЕННАЯ АНТЕННА ВЧ ДИАПАЗОНА С КАРДИОИДНОЙ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ Российский патент 2016 года по МПК H01Q9/00 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к технике радиосвязи и может найти применение в конструкциях малогабаритных направленных антенн, используемых в составе фазированных антенных решеток ВЧ диапазона.

2. Уровень техники

Известна антенна, в которой для формирования кардиоидной диаграммы направленности (ДН) применяют два вертикальных вибратора (в том числе и малой электрической длины), разнесенные на расстояние d=λ/4 при запитке одного из них током с фазовым сдвигом ψ=π/2 (см. [1], с.102, принята за прототип и базовый объект). При этом нуль диаграммы направленности направлен в сторону излучателя, фаза тока которого опережает фазу тока другого излучателя. В сторону другого излучателя будет направлен максимум ДН, где поля будут синфазно складываться.

Недостатком базового варианта излучателя является необходимость изменения межвибраторного расстояния d при смене частоты и большие абсолютные значения этого расстояния в нижней и средней части KB диапазона d=(25,0…7,5) м. Это исключает возможность использования такой системы излучателей для одновременной работы в широкой полосе частот.

Решение по созданию малогабаритного излучателя с ДН типа «кардиоида» при удовлетворении требований его широкополосности без необходимости изменения геометрических размеров может быть найдено в классе так называемых сверхнаправленных излучателей [2].

В указанном выше базовом варианте двухвибраторной антенны режим сверхнаправленности теоретически может быть реализован при размещении вибраторов на расстоянии d<<λ друг от друга и питании одного из них током со сдвигом по фазе ψ=π-2·π·d/λ относительно фазы тока другого излучателя. В этом случае в сторону излучателя, фаза тока которого опережает фазу тока другого на ψ, также будет формироваться нуль ДН.

Однако в отличие от описанного выше базового варианта синфазного сложения полей в сторону другого излучателя (максимум ДН) уже не будет, так как фазы полей от двух вибраторов будут различаться почти на 180° (т.к. 2·π·d/λ<<π).

3. Раскрытие изобретения

Цель изобретения - увеличение эффективности и качества согласования кардиоидной антенны в широком диапазоне частот.

В изобретении поставленная цель достигается тем, что в малогабаритной антенне, относящейся к классу сверхнаправленных, выполнение требований эффективности и согласования в широком диапазоне частот достигается путем компромисса между эффективностью излучателя, снижающейся при уменьшении его размеров относительно длины волны сигнала (с сохранением широкополосности и приемлемой диаграммы направленности во всем диапазоне частот) с частичной компенсацией ее за счет применения малошумящего усилителя и возможностью работы без изменения расстояния между излучающими элементами при смене частоты.

Для этого антенна выполняется на основе двухпроводной линии, где роль излучающих элементов, формирующих ДН с вертикальной поляризацией вектора , выполняют вертикальные отрезки, в один из которых включен малошумящий усилитель (генератор), а в другой - нагрузка R_н, при этом сопротивления усилителя и нагрузки согласованы с линией и равны ее волновому сопротивлению W.

В результате благодаря реализации режимов сверхнаправленности (максимальный размер L_л двухпроводной линии составляет величину, меньшую четверти наименьшей λ₀ длины волны рабочего диапазона, L_л<λ₀/4) и бегущей волны (согласование сопротивлений малошумящего усилителя (генератора) и нагрузки R_н с волновым сопротивлением двухпроводной линии W) в направлении нагрузки обеспечивается почти полное вычитание полей, формируемых вертикальными излучающими отрезками, в диапазоне частот с (18…20)-кратным перекрытием.

Соответственно в противоположном направлении указанные поля складываются, за счет чего формируется ДН типа «кардиоида» в широком диапазоне частот.

Кроме этого вследствие обеспечения излучающими вертикальными отрезками с включенными в них усилителем (генератором) и нагрузкой согласования с длинной линией достигается уменьшение реактивности поля антенны в ближней зоне, что улучшает ее согласование с средствами.

Дополнительно с целью увеличения действующей высоты и коэффициента усиления излучателя двухпроводной линии может быть придана форма малогабаритного ромбического излучателя с нагрузкой при расположении плоскости ромба вертикально относительно земли. Увеличение действующей высоты и коэффициента усиления излучателя достигается за счет включения в механизм излучения помимо вертикальных проводов также всех сторон ромба пропорционально проекциям векторов тока на вертикальную ось координатной системы.

Конструктивно обеспечение эффекта сверхнаправленности при этом достигается совместным выбором длины плеча L двухпроводной линии в форме вертикального малогабаритного ромбического излучателя (L=λ₀/(4…5)), угла 2φ, образованного двумя смежными плечами (2φ=120±5 градусов) и диаметра d металлической трубки вертикального малогабаритного ромбического излучателя (d>0,002 λ₀).

4. Краткое описание чертежей

На фиг.1 схематично изображена конструкция предлагаемой антенны.

Она включает малошумящий усилитель (генератор) (1), вертикальные излучающие отрезки (2), двухпроводную линию длиной L_л (3) и согласованную нагрузку R_н (4), равную волновому сопротивлению линии W.

На фиг.2 схематично изображена конструкция предлагаемой антенны с двухпроводной линией в форме вертикального малогабаритного ромбического излучателя.

Она включает малошумящий усилитель (генератор) (5), вертикальные излучающие отрезки (6), двухпроводную линию в форме вертикального малогабаритного ромбического излучателя, образованную двумя группами смежных плеч (7) длиной L каждое, образующих угол 2φ (8), и согласованную нагрузку R_н (9), равную волновому сопротивлению линии W.

На фиг.3 представлены диаграммы направленности заявляемой антенны на частотах 3, 6, 12 и 24 МГц.

На фиг.4 приведена частотная зависимость входного импеданса заявляемой антенны, расположенной на высоте 1 м над реальной землей с электрическими параметрами ε=5; σ=1·10^-3 См/м, рассчитанная согласно [3].

5. Осуществление изобретения

Поле в дальней зоне заявляемой антенны будет определяться суммой полей, создаваемых токами, протекающими по первому вертикальному излучающему отрезку (в который включен источник напряжения), второму вертикальному излучающему отрезку (в который включено нагрузочное сопротивление, согласованное с волновым сопротивлением линии), а также сторонами ромба пропорционально проекциям векторов тока на вертикальную ось координатной системы.

Принципиальной отличительной особенностью диаграммы направленности заявляемой антенны в форме малогабаритного ромбического излучателя с длиной стороны L_p<<λ по сравнению с ДН обычной ромбической антенны (L≈6·λ₀) является изменение на 180° ориентации максимума ее ДН.

Если в «классической» ромбической антенне максимум ДН ориентирован в направлении «точки возбуждения ромба - нагрузка», то в заявляемой малогабаритной антенне в форме ромбического излучателя он ориентирован в противоположном направлении «нагрузка - точки возбуждения».

Результаты расчетов показывают, что, несмотря на малые геометрические размеры (L_л<<А), предложенный излучатель формирует устойчивую кардиоидную диаграмму направленности в широком диапазоне частот, обеспечивающую наибольшую помехозащищенность по сравнению с известными типами малогабаритных излучателей.

Кроме того, данный излучатель хорошо согласуется с линией питания (расчетный коэффициент бегущей волны более 0,6 при коэффициенте перекрытия диапазона, равном 18…20), что позволит его использовать без перестройки в заданном диапазоне частот.

Источники информации

1. Антенны, часть 1. Под ред. Ю.К. Муравьева. - Л.: ВКАС, 1963.

2. Минкович Б.М., Яковлев В.П. Теория синтеза антенн. - М.: Сов. радио, 1969.

3. Гончаренко И.В. Компьютерное моделирование антенн. - М.: ИП РадиоСофт, Журнал "Радио», 2002.

Изобретение относится к малогабаритной сверхнаправленной антенне ВЧ диапазона с кардиоидной диаграммой направленности (ДН), предназначенной для использования в конструкциях малогабаритных направленных антенных систем, включая ФАР ВЧ диапазона. Технический результат - повышение эффективности и качества согласования кардиоидной антенны в широком диапазоне частот за счет реализации сверхнаправленности и эффекта бегущей волны. Для этого антенна включает двухпроводную линию с бегущей волной, где роль излучающих элементов, формирующих ДН, выполняют вертикальные отрезки, в один из которых включен малошумящий усилитель или генератор, а в другой - нагрузка, согласованные с линией, что снижает реактивность антенны и улучшает ее согласование с радиосредствами. Для увеличения действующей высоты и коэффициента усиления излучателя двухпроводной линии может быть придана форма малогабаритного ромбического излучателя с нагрузкой при расположении плоскости ромба вертикально относительно земли, и предусмотрено включение в механизм излучения, помимо вертикальных проводов, также всех сторон ромба пропорционально проекциям векторов тока на вертикальную ось координатной системы. 4 ил.

Малогабаритная сверхнаправленная антенна ВЧ диапазона с кардиоидной диаграммой направленности, содержащая вертикальные излучающие отрезки, отличающаяся тем, что вертикальные излучающие отрезки, в один из которых включен генератор или малошумящий усилитель, а в другой - нагрузка, соединены двухпроводной линией и разнесены на расстояние, меньшее четверти наименьшей длины волны рабочего диапазона, а генератор или малошумящий усилитель и нагрузка имеют сопротивление, равное волновому сопротивлению двухпроводной линии, при этом двухпроводная линия имеет форму малогабаритного ромбического излучателя при расположении плоскости ромба вертикально относительно земли для включения в механизм излучения или приема радиоволн помимо вертикальных отрезков также всех сторон ромба пропорционально проекциям векторов тока на вертикальную ось координатной системы.