Щелевая антенна Советский патент 1992 года по МПК H01Q9/28 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к антенно-фидерным устройствам, и может быть использовано как невыступающие приемные средневолновые антенны в средствах связи на движущихся объектах, например на самолетах.

Известна конструкция щелевой антенны, представляющая собой вырезанное в Обшивке самолета отверстие произвольной формы, которое закрывается диэлектрической пластиной заподлицо с обшивкой, а к внутренней поверхности пластины крепится рабочий электрод, подобный по форме отверстию, но меньшего размера. Принимаемое электромагнитное поле электрический вектор которого перпендикулярен проводящей поверхности фюзеляжа самолета, возбуждает между рабочим электродом и обшивкой самолета разность потенциалов, которая и является выходным напряжением щелевой антенны. Для того, чтобы на параметры этой антенны не оказывали влияние предметы, расположенные внутри фюзеляжа самолета, под вырезанным отверстием устанавливается металлическая ванна. Потенциал рабочего

электрода снимается с помощью проводника, прикрепленного к нему в центральной его части и выходящему через изолятор в центре днища ванны. Рабочий электрод данной антенны опущен в ванну на величину толщины диэлектрической пластины, что приводит к значительному уменьшению ее действующей высоты вследствие экранирующего влияния ванны. Собственный импеданс этих электрически коротких антенн вследствие малости их геометрических размеров по отношению к длине волны принимаемого поля определяется в основном большим емкостным сопротивлением Хс 1/ ш Са, где Са - собственная емкость антенны. Из условия исключения шунтирующего воздействия сопротивлением изолятора Риз должно выполняться неравенство Низ Хс, что означает предъявление высоких требований к материалу изолятора и чистоте его поверхности.

Приведенная конструкция антенны не обеспечивает стабильности ее действующей высоты как вследствие гальванических утечек через загрязненную внутреннюю поверхность изолятора, так и возникновения

00

С

vi со о

XI

о

экранирующего эффекта при загрязнении его внешней поверхности. Кроме того, значительная площадь диэлектрической пластины отрицательно сказывается на прочности антенны при воздействии на нее термических и механических нагрузок.

Наиболее близкой к предлагаемой является антенна, состоящая из изолированной от остальной обшивки части произвольной формы, например в виде диска, которая яв- ляется рабочим электродом антенны. Под изолятором и рабочим электродом располагается проводящая ванна. Сигнал через центральный электрод соединительной коаксиальной линии, проходящей через дни- ще ванны, подается с рабочего электрода антенны на входной зажим антенного усилителя, внешний электрод этой линии является общим и соединяется с корпусом. За счет расположения рабочего электрода на уровне обшивки самолета действующая высота такой антенны больше чем у предыдущей, а сведение площади диэлектрической пластины к площади кольца увеличивает ее термическую и механическую прочность.

К недостаткам антенны относятся высокие требования к материалу и чистоте поверхности изолятора для исключения токов утечки, а также наличие значительных шунтирующих емкостей в виде емкости между рабочим электродом и ванной, а также погонной емкости соединительной коаксиальной линии, что приводит к уменьшению ее действующей высоты.

Цель изобретения - увеличение деист- вующей высоты щелевой антенны и повышение ее стабильности,

Поставленная цель достигается тем, что в щелевой антенне, содержащей рабочий электрод, который размещен заподлицо с проводящей поверхностью и отделенный от нее изолятором, экранирующую ванну под рабочим электродом, коаксиальный фидер, соединяющий рабочий электрод с входом антенного усилителя, дополнительно введен компенсирующий электрод, изолированный от рабочего электрода и экранирующей ванны, охватывающий рабочий электрод со стороны экранирующей ванны и с торцов, который соединен посредством изолированного от экранирующей ванны внешнего проводника коаксиальной линии, размещенной в экране, с выходом антенного усилителя, причем антенный усилитель выполнен в виде повторителя напряжения. С целью уменьшения емкости между рабочим электродом и компенсирующим дно компенсирующего электрода может быть выполнено в виде сетки.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемой антенны; на фиг. 2 - рабочий и компенсирующий электроды.

Щелевая антенна состоит из проводящей обшивки 1 самолета, в которой расположен ее изолированный участок, например в виде плоского диска 2, компенсирующего электрода 3, изолятора 4, ванны 5, коаксиальной соединительной линии 6, экрана 7, антенного усилителя 8 и его экрана 9.

Рабочий электрод 2 щелевой антенны представляет собой проводящую часть обшивки 1 самолета, например в виде плоского диска. В изоляторе 4 располагается компенсирующий электрод 3 в виде малой ванны, охватывающий рабочий электрод 2 с нижней и боковой поверхностей и расположенный в непосредственной близости от него. Под системой электродов и изолятором находится ванна 5, конструктивно соединенная своей верхней кромкой с обшивкой 1. Центральным электродом коаксиальной линии 6, проходящей через отверстие в ванне 5 и компенсирующего электрода 3, соединяются рабочий электрод 2 с входом антенного усилителя 8, выполняющего функцию повторителя напряжения с коэфициентом усиления, предельно близким к единице, высоким входным RBx, малым выходным сопротивлением Рвых и малой входной емкостью Свх. Выход повторителя напряжения через внешний изолированный электрод соединительной линии 6 соединен с компенсирующим электродом 3. При расположении антенного усилителя 8 на удалении от антенны соединительная коаксиальная линия располагается в трубчатом экране 7, соединяющем ванну 5 с заземленным экранирующим корпусом антенного усилителя 9. В случае закрепления корпуса 9 антенного усилителя 8 непосредственно на ванне 5 антенны переходной экран 7 соединительной линии отсутствует.

В предлагаемой щелевой антенне применена компенсация емкостной и гальванической утечек между рабочим электродом и ванной, а также между центральным и внешним электродами соединительной линии.

Для строгого расчета самолетной щелевой антенны необходимо решить граничную электродинамическую задачу, Однако, если размеры самолета и размеры антенны, установленной на самолете, много меньше длины волны, то решение этой электродинамической задачи можно в первом приближении заменить решением соответствующей квазистатистической задачи. В случае отсутствия компенсирующего электрода под воздействием напряженности E(t)

принимаемого поля на рабочем эелктроде 2 щелевой антенны будет индукцироваться заряд q(t) e0S3E(t), где Ј0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, а 5э - эквивалентная площадь антенны, представляющая величину площади ее рабочего электрода, перпендикулярной вектору электрической индукции D(t) Ј0E(t). При этом рабочий электрод принимает некоторый изменяющийся от времени потенциал

(О

q(t) g0s3E(t)

св + сн + сл + с,

где С. - суммарная емкость нагруженной щелевой антенны;

Св и Сн - собственная емкость рабочего электрода в его верхней и нижней полусферах соответственно:

Сл и СВх - шунтирующая емкость соединительной линии 6 и входной цепи антенного усилителя 8 соответственно.

Активное шунтирующее сопротивление входной цепи антенного усилителя 8 здесь не учитывается, так как для диапазона частот, в котором используется данная конструкция щелевой антенны, его входная цепь удовлетворяет неравенству RBx Ха 1/0) Свх. В то же время потенциал рабочего электрода антенны можно записать и через ее действующую высоту h; в виде уз (т.) ha E(t), Приравнивая эти два выражения для потенциала рабочего электрода антенны, находим выражения ее эффективной площади:

с - го(Св + Сн +СЛ +Свх)...

Ьэ .(1)

to

При наличии компенсации в щелевой антенне потенциал его рабочего электрода 2 центральным электродом соединительной линии 6 передается на вход антенного усилителя 8. В случае соблюдения условия о) т 1, где r RBX(CB + Свх) - постоянная времени нагруженной щелевой антенны с компенсацией, то на выходе антенного усилителя 8 возникает усиленное по мощности, синфазное с входным и повторенное по величине напряжение Uobix(t). Это выходное напряжение попадается на внешний изолированный электрод соединительной линии б и компенсирующий электрод 3. В этом случае потенциал рабочего электрода, компенсирующего и внешнего электрода соединительной линии оказываются равными, поэтому емкостные токи и гальванические токи утечки между ними будут отсутствовать, что соответствует компенсации емко

стей Сн и Сл, а также стабильно высокому сопротивлению изоляции между ними. Величины же емкостного и активного сопротивлений между компенсирующим

5 электродом 3, внешним электродом соединительной линии 6 относительно корпуса 1 не ухудшают характеристики антенны, так как они включены параллельно низкому выходному сопротивлению антенного уси10 лителя 8. Применяя компенсацию к существующей щелевой антенне с некоторой эквивалентной площадью рабочего электрода S3 получаем следующее для нее выражение:

15

S (Св + Свх)(2}

Јо

где - действующая высота антенны с 20 компенсацией.

Приравнивая выражения (1) и (2), находим для действующей высоты щелевой антенны с компенсацией ее значение

25

.и /1 , Сн + Сл ч

hrfK-MI +г ).

UB т UBX

(3)

Из выражения (3) следует, что hj и определяется как действующей высотой пэ антенны без компенсации, так и эффектом от компенсации, выражающимся в отношении емкостей второго слагаемого. Для плоского круглого рабочего электрода в ще- 1

левой антенне Св , где Са- собственная емкость этого электрода в отсутствии ванны под ним, которую с достаточной точностью можно определять по формуле (1):

Са 8,85 VDi D2 ( 1 +У)х

17 91 +У)-2 10-12(Ф).

где DI - внутренний диаметр щели в метрах; Da - внешний диаметр щели в метрах; y Di/D2.

Величину Сн такой щелевой антенны можно определить по формуле

Сн - Св +

ЈЈо S

где е - относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей полость ванны;

S - площадь рабочего электрода;

h - глубина ванны.

Анализируя выражение (3), можно определить требования и к конструктивным особенностям щелевой антенны с компенсацией, Необходимо отметить, что это выражение отражает только электрическую компенсацию емкостей Сн и Сл, но не отражает изменение ее параметров, обусловленных конструктивными в ней изменениями. Введение компенсирующего электрода, который является эквипотенциальным рабочему электроду, можно рассматривать вместе с ним как единый электрод. Увеличение диаметра компенсирующего электрода или уменьшение его высоты в полости ванны не вызывает изменения в электрической компенсации Сн и Сл, но приводит к уменьшению ги по формуле (3). Поэтому, с точки зрения получения максимальной величины h, необходимо конструктивно компенсирующий электрод приблизить к рабочему электроду. Но, с другой стороны, это может привести к увеличению нестабильности работы этой щелевой антенны по причине малой величины зазора в изоляторе между электродами и увеличением емкости между ними. Поэтому флукту- ация коэффициента передачи К( ш ) повторителя напряжения относительно единицы может приводить либо к шунтированию рабочего электрода антенны при К(ш) 1 через малое выходное сопротивление повторителя, либо при K(w) 1 привести к его самовозбуждению. Из этого следует, что при введении компенсирую щего электрода в конструкцию щелевой антенны предельно малый зазор между электродами определяется степенью устойчивости работы повторителя напряжения. С целью уменьшения взаимной емкости между рабочим и компенсирующими электродами дно компенсирующего электрода может выполняться в виде сетки 10 (фиг. 2).

Введение в конструкцию известной щелевой антенны элементов компенсации с

и

предельно допустимым зазором между рабочим и компенсирующим электродами дает одинаковые величины Зэ. Отсюда из выражения (3) находим отношение

1 +

Сн+Сл

Св +С

вх

(4)

10

15

20

25

30

35

40

45

Отсюда следует, что при любых значениях, входящих в выражение (4) емкостей, оно будет больше единицы. Для существующих щелевых антенн применение компенсации позволяет получать увеличение действующей высоты 4-6, т.е. в 4-6 раз.

Увеличение стабильности действующей высоты антенны с компенсацией обуславливает ее невосприимчивость к степени загрязнения изолятора.

Формула изобретения

1.Щелевая антенна, содержащая рабочий электрод, размещенный заподлицо с проводящей поверхностью и отделенный от нее изолятором, экранирующую ванну под рабочим электродом, коаксиальный фидер, соединяющий рабочий электрод с входом антенного усилителя, отличающаяся тем, что, с целью увеличения и стабилизации действующей высоты, введен компенсирующий электрод, изолированный от рабочего электрода и экранирующей ванны, охватывающий рабочий электрод со стороны экранирующей ванны и с торцов, который соединен посредством изолированного от экранирующей ванны внешнего проводника коаксиальной линии, размещенной в экране, с выходом антенного усилителя, причем антенный усилитель выполнен в виде повторителя напряжения.

2,Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что дно компенсирующего электрода выполнено сетчатым.

Изобретение относится к антеннам. Цель изобретения - увеличение и стабилизация действующей высоты - достигается введением компенсирующего электрода, изолированного от рабочего электрода и экранирующей ванны, а также выполнением антенного усилителя в виде повторителя напряжения и соответствующим его подключением.

Г

Фиг1