Зеркальная сферическая антенна продольных волн Российский патент 2023 года по МПК H01Q15/00 H01Q19/13 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к зеркальным антеннам для связи между объектами на земле и в космосе.

Обеспечить большую мощность излучения передатчика спутника трудно. Увеличение мощности системы питания ограничено массой и габаритами устанавливаемой на спутниках аппаратуры, потребляемой электроэнергии. Возможности ракет-носителей ограничены. Компенсировать эти ограничения, видимо, можно лишь за счет резкого увеличения эффективности излучения антенны на космической станции.

Из уровня техники известна антенна, которая представляет собой диполь Герца. Антенна диполь Герца состоит из двух шаров расположенных на расстоянии длины излучаемой электромагнитной волны (И.Е. Тамм Основы теории электричества /Тамм И.Е. Изд. 11, допол. - ФИЗМАТЛИТ. М.: 2003 - С. 462).

Главный недостаток антенны диполь Герца низкая эффективность излучения. Это связано с тем, что в основе излучателя антенны лежит диполь, поле которого создается разноименными зарядами плеч диполя. В любой момент времени работы антенны, результирующее поле антенна является суммой полей равных по модулю разноименных зарядов, которое всегда меньше поля каждого заряда.

Из уровня техники известна антенна продольных волн в виде шара (Observation of scalar longitudinal electrodynamic waves C. Monstein1 and J. P. Wesley. Europhys. Lett., 59 (4), pp. 514-520 (2002)) Сигнал подается внутрь металлической сферы через коаксиальный кабель, где внешний заземленный проводник действует как экран. В результате получается осциллирующий заряд, являющийся источником продольного электрического поля Е. Но в этом случае, второй заземленный провод и проводящая Земля является источником осциллирующего поля противоположного знака. Таким образом, наблюдаемый сигнал представляет собой суперпозицию двух сферических волн, порожденных зарядами противоположных знаков и, следовательно, поле будет соответствовать излучению диполя. Это приведет к снижению эффективности излучения.

Недостатком такой антенны является низкая эффективность.

Наиболее близким решением является зеркальная сферическая антенна, содержащая два зеркала, излучатель в виде диполя Герца, состоящего из двух шаров радиусом, равным одной восьмой длины волны, питаемые коаксиальным фидером, причем излучатели расположены в фокусе сферических зеркал, направленных в противоположные стороны, при этом излучатель в виде диполя Герца разделен на две части, первая половина излучателя в виде шара радиусом, равным одной восьмой длины волны, расположена в фокусе первого сферического зеркала, а вторая половина излучателя в виде шара радиусом одна восьмая длины волны расположена в фокусе второго сферического зеркала, а размер фокуса сферических зеркал равен четверти длины волны излучения (RU 2753995, МПК H01Q 15/00, опубл. 25.08.2021).

Недостаток зеркальной сферической антенны заключается в том, что потенциал к шарам подводится к поверхности шаров, поэтому при зарядке шара, токи текут по поверхности шаров, следовательно, каждый элемент поверхности шара будет излучать как элементарный диполь. Это снизит эффективность излучения.

Технический результат заключается в повышении эффективности зеркальной сферической антенны за счет использования излучателя в виде шаров, к которым энергия подводится в центр шаров.

Сущность изобретения заключается в том, что зеркальная сферическая антенна продольных волн содержит два сферических зеркала, направленных в противоположные стороны, с размерами фокусов равными четверти длины волны излучения, излучатель, в виде диполя Герца, состоящего из двух шаров, с радиусами равными одной восьмой длины волны, расположенные в фокусах сферических зеркал, питаемых коаксиальным фидером, причем второе сферическое зеркало закрыто поглощающим материалом, либо отражающим плоским зеркалом. Излучатели в виде шаров запитывают от коаксиального фидера в центр шаров.

На фиг.1 изображена схема зеркальной сферической антенны продольных волн; на фиг. 2 изображено устройство излучателя и схема компенсаций его магнитного поля.

Зеркальная сферическая антенна продольных волн (фиг. 1) содержит первое сферическое зеркало 1 с фокусным расстоянием равным четверти длины волны, первую половину излучателя 2 в виде шара радиуса равного одной восьмой длины волны, причем излучатель 2 расположен в фокусе сферического зеркала 1. Второе сферическое зеркало 3 радиусом равным четверти длины волны, направленное в противоположную сторону от первого сферического зеркала 1, причем вторая половина излучателя 4 в виде шара размером одной восьмой длины волны расположен в фокусе второго сферического зеркала 3. Шаровые излучатели 2 и 4 запитываются коаксиальным фидером 5 в центр шаров. Размер фокуса сферических зеркал 1 и 3 равен четверти длины волны излучения диполя Герца. Второе сферическое зеркало 3 может быть закрыто поглощающим материалом, либо отражающим плоским зеркалом.

Зеркальная сферическая антенна продольных волн работает следующим образом. Например, пусть в первый полупериод первое сферическое зеркало 1 будет отражать поле отрицательно заряженного шара 2, а второе сферическое зеркало 3 отражает поле положительно шара 4. Так как поля разных знаков разделены в пространстве, то ослабление полей не происходит. Поэтому энергия излучения каждой зеркальной сферической антенны будет значительно больше, чем энергия диполя. Следует отметить, что отражение от сферических зеркал 1 и 3 происходит в той же фазе, что и излучение шара. В этом случае излучение каждой половины диполя в виде шара представляет собой излучение знакопеременного заряда т.к потенциал прикладывается в центр шара. Магнитное поле В (фиг.2) будет отсутствовать на поверхности шара т.к магнитные поля всех радиальных токов к поверхности шара излучателя будут компенсироваться. Поэтому шар начинает выступать как источник знакопеременного продольного электрического поля. Поле положительного заряда не складывается с полем отрицательного заряда т.к. поля излучателей разделены в пространстве за с помощью сферических зеркал 1 и 3 в противоположные стороны. Если необходимо исключить излучение сферического зеркала 3, то излучение излучателя сферического зеркала 3 направлено в противоположную сторону может быть закрыто поглощающим материалом. Каждую половину излучателя 2, 4 в виде шара, при подведении потенциала к центру шара, можно рассматривать как знакопеременный заряд. Заряды, входящие в шар, распределяются по нему за время Максвелловской релаксации τ. Если период (Т) приложенного напряжения, Т>>τ то в расчетах каждый шар можно рассматривать как знакопеременный заряд, который изменяется в соответствии с приложенным напряжением. Расчеты поля такого знакопеременного заряда нами приведены в [1] Энергия излучения поля знакопеременного заряда запишется как:

Покажем, что энергия излучения половинки диполя значительно больше излучения целого диполя. Запишем энергию излучения классического диполя Герца [2]. В системе СИ это выражение имеет вид:

При выводе соотношения (2) для энергии излучения диполя полагалось, что плечо диполя много меньше длины волны излучения . Найдем отношение энергии излучения знакопеременного заряда (половины диполя) к энергии излучения диполя.

Из (16) следует, что энергия излучения знакопеременного заряда во много раз больше энергии излучения диполя с такой же величиной заряда плеч диполя.

Следовательно, данное изобретение позволяет повысить эффективность излучения зеркальной сферической антенны продольных волн за счет подведения энергии к сферическим излучателям в центр таких излучателей. В этом случае поле создается неподвижным знакопеременным зарядом, то электрическое поле такого заряда является продольным.

Литература:

1. Денисов Б.Н. Излучение знакопеременного заряда XIV Всероссийская научно-техническая конференция «Радиолокация и радиосвязь». 23 - 25 ноября 2020 г., Москва. Сборник трудов, с. 203-207.

2. И.Е. Тамм Основы теории электричества. Издание 11 - ФИЗМАТЛИТ, 2003. - С. 472

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к зеркальным антеннам для связи между объектами на земле и в космосе. Технический результат - повышение эффективности излучения зеркальной сферической антенны продольных волн. Результат достигается тем, что предложена зеркальная сферическая антенна продольных волн, содержащая два сферических зеркала, направленных в противоположные стороны, с размерами фокусов, равными четверти длины волны излучения, излучатель в виде диполя Герца, состоящего из двух шаров, с радиусами, равными одной восьмой длины волны, расположенных в фокусах сферических зеркал, питаемых коаксиальным фидером, причем второе сферическое зеркало закрыто поглощающим материалом либо отражающим плоским зеркалом, отличающаяся тем, что излучатели в виде шаров запитывают от коаксиального фидера в центр шаров. 2 ил.

Зеркальная сферическая антенна продольных волн, содержащая два сферических зеркала, направленных в противоположные стороны, с размерами фокусов, равными четверти длины волны излучения, излучатель в виде диполя Герца, состоящего из двух шаров, с радиусами, равными одной восьмой длины волны, расположенных в фокусах сферических зеркал, питаемых коаксиальным фидером, причем второе сферическое зеркало закрыто поглощающим материалом либо отражающим плоским зеркалом, отличающаяся тем, что излучатели в виде шаров запитывают от коаксиального фидера в центр шаров.