Щелевая антенна диаграмма. Скелетно-щелевая антенна: мифы и реальность

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам, а именно к антеннам ультракоротких радиоволн и антеннам сверхвысоких частот для излучения волн горизонтальной поляризации с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости. Техническим результатом, достигаемым от осуществления предложенного изобретения, является расширение рабочего диапазона частот щелевой цилиндрической антенны, обеспечение антенны устройствами согласования с фидером, некритичными к размерам при настройке антенны на рабочую резонансную частоту. Щелевая цилиндрическая антенна содержит проводящий цилиндрический корпус с продольной щелью с первой и второй кромками и фидер, дополнительно содержит первый проводящий хомут, второй проводящий хомут и согласующий отрезок кабеля, при этом первый хомут расположен с образованием гальванического контакта на первой кромке щели, второй хомут расположен с образованием гальванического контакта на второй кромке щели, фидер на поверхности цилиндра проложен вдоль прямой линии, диаметрально противоположной продольной оси щели, с загибом в окрестности точки возбуждения щели, проложен через первый хомут с образованием внешним проводником фидера гальванического контакта с первым хомутом, согласующий отрезок кабеля проложен через второй хомут, центральный проводник фидера гальванически соединен с центральным проводником согласующего отрезка кабеля. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Рисунки к патенту РФ 2574172

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам, а именно к антеннам ультракоротких радиоволн и антеннам сверхвысоких частот для излучения волн горизонтальной поляризации с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости.

Уровень техники

Щелевая антенна была впервые предложена в 1938 Аланом Блюмлейном (Alan D. Blumlein) с целью применения в телевизионном вещании в диапазоне ультракоротких волн с горизонтальной поляризацией и круговой диаграммой направленности (ДН) в горизонтальной плоскости [Британский патент № 515684. HF electrical conductors. Alan Blumlein, опубл. 1938. US patent № 2,238,770 High frequency electrical conductor or radiator]. Антенна представляет собой трубу с продольной щелью. Простота конструкции, отсутствие выступающей части над поверхностью, в которой прорезана щель, привлекли к ней внимание специалистов, проектирующих радиосистемы для подводных лодок. Щелевые антенны не нарушают аэродинамику объектов, на которых они установлены, что определило их широкое применение на самолетах, ракетах и других подвижных объектах. Такие антенны со щелями, прорезанными в стенках волноводов прямоугольного, круглого или иной формы поперечного сечения, широко используются в качестве бортовых и наземных антенн радиолокационных и радионавигационных систем.

Итак, известна первая щелевая цилиндрическая антенна A.D. Blumlein для излучения горизонтально поляризованных волн высоких частот, содержащая проводящий цилиндр с продольной щелью, устройства для возбуждения щели на одном конце цилиндра и короткозамыкатель на другом конце цилиндра, устройство для регулировки ширины щели. Проводящий цилиндр имеет длину, равную половине длины волны в свободном пространстве.

Недостатками известной первой щелевой антенны является то, что:

В антенне нет устройств для настройки антенны на резонансную частоту,

Антенна имеет длину, равную половине длины волны в свободном пространстве, что затрудняет получение приемлемых характеристик антенны в отношении направленных свойств и согласования антенны с фидером.

Известна вторая щелевая цилиндрическая антенна для излучения горизонтально поляризованных волн высоких частот , содержащая проводящий цилиндр с продольной щелью, фидер, короткозамыкатель на одном конце щели и устройства для возбуждения антенны на другом конце щели, названный цилиндр имеет диаметр размером между 0,151 и 0,121, где 1 - длина волны в свободном пространстве на рабочей частоте. Названный цилиндр имеет длину близкую к девяти десятым четверти длины стоячей волны, установившейся вдоль щелевой линии на цилиндре (при этом длина волны в щелевой линии на цилиндре в несколько раз превышает длину волны в свободном пространстве).

Антенна при вертикальной ориентации цилиндра имеет практически круговую диаграмму направленности с горизонтальной поляризацией поля излучения, имеет высокий коэффициент направленного действия (КНД). Антенна компактна, удобна для установки на крышах высоких зданий, ее плавные контуры поверхности препятствуют скоплению мокрого снега и образованию льда. Антенна благодаря круговой цилиндрической форме имеет сравнительно малую ветровую нагрузку.

Известная вторая антенна устраняет недостатки первой известной антенны, обусловленные ее размером в половину длины волны в свободном пространстве. Всенаправленная щелевая антенна Андрея Альфорда, созданная в 1946 году и установленная на небоскребе Крайслер в Нью Йорке, использовалась для первых трансляций цветного телевидения .

Однако известная вторая щелевая цилиндрическая антенна имеет следующие недостатки:

антенна имеет большой в длинах волн в свободном пространстве продольный размер, что затрудняет использовать ее в качестве излучающего элемента антенной решетки, формирующей диаграмму направленности специального вида в плоскости вектора Н;

антенна не имеет устройств для ее согласования с фидером.

Известна третья щелевая цилиндрическая антенна для излучения горизонтально поляризованных волн высоких частот , содержащая проводящий цилиндр с продольной щелью, короткозамкнутой с обоих концов цилиндра, возбуждаемой коаксиальным кабелем, внешний проводник которого гальванически соединен с первой кромкой щели, а центральный проводник гальванически соединен со второй кромкой щели.

Известная третья щелевая цилиндрическая антенна имеет недостатки:

Вследствие несимметричного возбуждения антенны возбуждается волна, распространяющаяся в линии, образованной внешним проводником коаксиального кабеля и цилиндром, в результате наблюдается заметное излучение кабеля (антенный эффект фидера), ее характеристики существенным образом зависят от внешних эксплуатационных факторов;

Нет устройств для согласования антенны с фидером (для настройки антенны в резонанс на рабочей частоте),

Известная третья щелевая цилиндрическая антенна имеет узкий диапазон рабочих частот, не превышающий 1% на уровне КСВ в линии питания.

Третья известная щелевая цилиндрическая антенна, питаемая коаксиальным кабелем, является по совокупности существенных признаков наиболее близкой к настоящему изобретению. Эта антенна выделена авторами в качестве прототипа.

Раскрытие изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является расширение рабочего диапазона частот щелевой цилиндрической антенны, обеспечение антенны устройствами согласования с фидером, некритичными к размерам при настройке антенны на рабочую (резонансную) частоту.

Поставленная задача достигается тем, что щелевая цилиндрическая антенна, содержащая проводящий цилиндрический корпус (далее корпус) с продольной щелью с первой и второй кромками и фидер, дополнительно содержит первый проводящий хомут, второй проводящий хомут (далее по тексту первый хомут, второй хомут) и согласующий отрезок кабеля, при этом первый хомут расположен с образованием гальванического контакта на первой кромке щели, второй хомут расположен с образованием гальванического контакта на второй кромке щели, фидер на поверхности цилиндра проложен вдоль прямой линии, диаметрально противоположной продольной оси щели, с загибом в окрестности точки возбуждения щели, проложен через первый хомут с образованием внешним проводником фидера гальванического контакта с первым хомутом, согласующий отрезок кабеля проложен через второй хомут, центральный проводник фидера гальванически соединен с центральным проводником согласующего отрезка кабеля.

Введение в состав антенны первого проводящего хомута, второго проводящего хомута и согласующего отрезка кабеля, их взаимное расположение и соединение в антенне как указано выше решает следующие задачи:

Создать антенну, обеспечивающую за счет симметричной системы питания симметричную диаграмму направленности в плоскости вектора Н, без раздвоения диаграммы и без отклонения максимума диаграммы направленности от плоскости, перпендикулярной к оси цилиндра;

Создать антенну, обеспечивающую круговую диаграмму направленности в плоскости вектора за счет того, что диаметр цилиндра много меньше длины волны;

Создать антенну, обеспечивающую устойчивые характеристики излучения при использовании как узких щелей с невысоким волновым сопротивлением, так и широких щелей с высоким волновым сопротивлением;

Создать антенну, обеспечивающую компенсацию реактивной составляющей входного импеданса антенны в широком диапазоне частот;

Создать антенну, сопротивление излучения которой в широком диапазоне частот изменяется в небольших пределах;

Создать антенну, обеспечивающую низкий КСВ в линии питания за счет согласования входного импеданса антенны с волновым сопротивлением фидера в широкой полосе частот;

Снизить уровень мощности, возвращающийся к передатчику при работе антенны на передачу, за счет согласования антенны с фидером;

Снизить уровень искажений спектра передаваемого (принимаемого) антенной сигнала за счет равномерной амплитудно-фазовой характеристики антенны в диапазоне частот;

Повысить устойчивость антенны к высокочастотному пробою за счет снижения напряженности поля в соединителе радиочастотном вследствие снижения КСВ в линии питания при работе антенны в режиме передачи;

Обеспечить антенну устройством согласования за счет изменения реактивного сопротивления устройства согласования и тем самым расширить полосу рабочих частот антенны;

Обеспечить простой метод настройки антенны по согласованию с фидером в диапазоне частот;

Обеспечить максимальную передачу мощности за счет согласования с волновым сопротивлением фидера;

Повысить потенциально возможный уровень мощности в выбранном заранее фидере за счет снижения КСВ в нем;

Минимизировать потери в фидере и в результате снизить нагрев фидера при передаче по нему мощности;

Минимизировать излучение (прием) электромагнитных волн фидером (внешней стороной внешнего проводника коаксиального кабеля);

Создать щелевую антенну, которая могла бы использоваться как самостоятельная антенна, а также как элемент антенной решетки;

Создать антенну, удобную для ее монтажа на трубе или поясе решетчатой башни.

Антенна компактна, при вертикальной ориентации цилиндра излучает горизонтально поляризованные волны. Может служить в качестве излучающего элемента антенной решетки. Антенная решетка щелевых излучателей может быть установлена как непосредственно на земной поверхности, так и на крышах высоких зданий. Плавные контуры поверхности антенны препятствуют скоплению на ней мокрого снега и образованию льда. Антенна благодаря круговой цилиндрической форме имеет сравнительно малую ветровую нагрузку.

Включением в состав антенны обтекателя решена задача защиты щелевой цилиндрической антенны в соответствии с данным изобретением от воздействия внешних эксплуатационных факторов.

Решение перечисленных выше задач свидетельствует о том, что создана новая щелевая цилиндрическая антенна, обеспечивающая рабочие характеристики в широком диапазоне частот.

Решение первой из указанных задач получено в результате того, что предложенная щелевая цилиндрическая антенна возбуждается симметрично относительно середины щели.

Диапазон рабочих частот предложенной антенны со стороны более коротких волн ограничен изменением формы диаграммы направленности (ДН). Используют щели такой длины, при которой ДН имеет только один максимум, ориентированный перпендикулярно оси антенны. Уменьшение длины волны при неизменных размерах щели может привести к появлению двух максимумов, отклоненных от оси антенны.

Увеличение длины волны ограничивается уменьшением коэффициента направленного действия (КНД). Оно оказывается значительным, если диаметр цилиндра меньше 0,12 длины волны в свободном пространстве.

Предложенная антенна может быть настроена в указанном диапазоне частот.

Решение задачи создания круговой диаграммы направленности в плоскости вектора получено за счет того, что диаметр цилиндра много меньше длины волны в свободном пространстве.

Решение третьей задачи, а именно обеспечение широкой полосы рабочих частот как с узкими, так и широкими щелями, получено в результате компенсации реактивной составляющей входного импеданса антенны.

Решение задачи обеспечения простого метода компенсации реактивной составляющей входного импеданса антенны в диапазоне частот достигается использованием для компенсации двух последовательно включенных конденсаторов.

Решение задачи: минимизировать излучение (прием) электромагнитных волн фидером - получено за счет рационального размещения фидера на поверхности цилиндра, введения в состав антенны первого проводящего хомута, обеспечением гальванического контакта внешнего проводника с первым хомутом по всей его окружности на выходе из хомута.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1а) представлена щелевая цилиндрическая антенна 1 в соответствии с настоящим изобретением. На фиг. 1б) показан вид спереди щелевой цилиндрической антенны, на фиг. 1в) показан вид сверху щелевой цилиндрической антенны. На фиг. 1б) и фиг. 1в) введены обозначения:

1 - щелевая цилиндрическая антенна,

2 - цилиндрический корпус,

4 - первая кромка щели,

5 - вторая кромка щели,

7 - первый хомут,

8 - второй хомут,

9 - согласующий цилиндр,

10 - согласующий отрезок кабеля,

11 - изгиб фидера (на повороте от вертикального участка к горизонтальному участку, расположенному в окрестности точки возбуждения щели),

А - область возбуждения щели.

На фиг. 2а) показана область А возбуждения щели. На фиг. 2б) показано соединение внешнего проводника фидера с первым хомутом и первой кромкой щели, устройство согласования входного импеданса антенны и его соединение со второй кромкой щели. На фиг. 2в) показано в разрезе соединение внешнего проводника фидера со вторым хомутом и второй кромкой щели, согласующий цилиндр и согласующий отрезок кабеля. На фиг. 2б) и фиг. 2в) дополнительно введены следующие обозначения:

12 - центральный проводник согласующего отрезка кабеля,

13 - центральный проводник фидера,

14 - внешний проводник фидера.

На фиг. 3 приведена эквивалентная схема антенны; на фиг. 3 введены новые обозначения:

15 - емкость конденсатора, образованного внутренней поверхностью согласующего цилиндра 9 и внешней поверхностью внешнего проводника согласующего отрезка кабеля 10,

16 - емкость конденсатора, образованного внутренней поверхностью внешнего проводника и центральным проводником согласующего отрезка кабеля 10,

17 - индуктивность, обусловленная протеканием токов по внутренней и внешней поверхностям трубы от первой кромки ко второй кромке щели (при отсутствии конденсаторов 15 и 16),

18 - реальная часть входного сопротивления антенны (до подключения конденсаторов 15 и 16),

19 - условная клемма, соответствующая точке гальванического контакта внешнего проводника фидера через первый проводящий хомут с кромкой 4,

20 - условная клемма, соответствующая точке на входе центрального проводника согласующего отрезка кабеля,

21 - точка гальванического контакта согласующего цилиндра через проводящий хомут 2 с кромкой 5 щели 3.

На фиг. 4 приведены экспериментальные зависимости реальной и мнимой частей входного сопротивления и КСВ от частоты первого и второго образцов щелевой цилиндрической антенны; на фиг. 4 введены обозначения:

221 - зависимость от частоты реальной части входного сопротивления первого образца с согласующим отрезком кабеля длиной 10,5 мм,

222 - зависимость от частоты мнимой части входного сопротивления первого образца с согласующим отрезком кабеля длиной 10,5 мм,

223 - зависимость от частоты КСВ антенны первого образца с согласующим отрезком кабеля длиной 10,5 мм,

231 - зависимость от частоты реальной части входного сопротивления второго образца с согласующим цилиндром длиной 11,5 мм и согласующим отрезком кабеля длиной 20,5 мм,

232 - зависимость от частоты мнимой части входного сопротивления второго образца с согласующим цилиндром длиной 11,5 мм и согласующим отрезком кабеля длиной 20,5 мм,

233 - зависимость от частоты КСВ антенны второго образца второго образца с согласующим цилиндром длиной 11,5 мм и согласующим отрезком кабеля длиной 20,5 мм,

241 - зависимость от частоты реальной части входного сопротивления второго образца с согласующим цилиндром длиной 7 мм и согласующим отрезком кабеля длиной 24 мм,

242 - зависимость от частоты мнимой части входного сопротивления второго образца с согласующим цилиндром длиной 7 мм и согласующим отрезком кабеля длиной 24 мм,

243 - зависимость от частоты КСВ антенны второго образца с согласующим цилиндром длиной 7 мм и согласующим отрезком кабеля длиной 24 мм,

251 - зависимость от частоты реальной части входного сопротивления второго образца с согласующим цилиндром длиной 5 мм и согласующим отрезком кабеля длиной 30 мм,

252 - зависимость от частоты мнимой части входного сопротивления второго образца с согласующим цилиндром длиной 5 мм и согласующим отрезком кабеля длиной 30 мм,

253 - зависимость от частоты КСВ антенны второго образца с согласующим цилиндром длиной 5 мм и согласующим отрезком кабеля длиной 30 мм,

На фиг. 5 приведены примеры распределения напряженности электрического поля вдоль линии передачи 26, представляющей собой продольную щель на цилиндре, и вдоль двухпроводной линии, использованной для возбуждения упомянутой линии передачи: а) частота генератора меньше критической частоты основной волны щелевой линии на круговом цилиндре, б) частота генератора примерно равна критической частоте основной волны щелевой линии на круговом цилиндре, в) частота генератора больше критической частоты основной волны щелевой линии на круговом цилиндре.

На фиг. 5 введены обозначения:

27 - сосредоточенный источник напряжения,

28 - двухпроводная линия передачи,

29 - векторы напряженности электрического поля.

На фиг. 6 представлена силовыми линиями структура электрического поля в некоторый момент времени во внутренней и внешней областях щелевой цилиндрической антенны в сечении, перпендикулярном оси антенны. На фиг. 6 введены обозначения: 30 - силовые линии электрического поля.

На фиг. 7 приведен пример применения щелевой цилиндрической антенны по настоящему изобретению в качестве элемента антенной решетки.

Осуществление изобретения

Обратимся к фиг. 1б, на которой представлена щелевая антенна 1 в соответствии с настоящим изобретением. Антенна выполнена в виде цилиндрического корпуса 2 с щелью 3 с первой кромкой 4 и второй кромкой 5, фидера 6, первого проводящего хомута 7, второго проводящего хомута 8, согласующего цилиндра 9, согласующего отрезка кабеля 10 и элементов крепежа.

Цилиндрический корпус 2 выполнен из проводящего материала, такого как, например, латунь, алюминиевый сплав, сталь или иной металл, или металлический сплав с хорошей проводимостью. Цилиндрический корпус с 2 в поперечном сечении имеет вид окружности. Корпус в поперечном сечении может иметь вид квадрата, прямоугольника, эллипса или иной кривой фасонного профиля.

Щель 3 выполнена в цилиндрическом корпусе 2 на всю глубину стенки корпуса фрезерованием, лазерной резкой или иной механической операцией с образованием первой кромки 4 и второй кромки 5, параллельных продольной оси цилиндрического корпуса.

В качестве фидера 6 может быть использован серийный коаксиальный кабель. Согласующий цилиндр 9 для определенности показан в виде отрезка кругового цилиндра.

Согласующий отрезок кабеля 10 для определенности показан в виде короткого отрезка коаксиальной линии. Согласующий отрезок кабеля 10 частично расположен внутри согласующего цилиндра 9, частично вне 9.

Согласующий цилиндр 9, хомуты 7 и 8 выполнены из хорошо проводящего материала, например из латуни или алюминиевого сплава. Для обеспечения пайки покрыты, например, олово-висмутовым сплавом.

Конец согласующего отрезка кабеля 10, противолежащий щели, разомкнут и ни с чем не соединен. Центральный проводник 11 согласующего отрезка кабеля 10 выходит из согласующего цилиндра 9 и простирается до середины щели 3.

Указанные выше устройства и детали взаимно расположены относительно друг друга и соединены между собой следующим образом.

Первый хомут 7 закреплен с образованием гальванического контакта на первой кромке 4 щели, второй хомут 8 закреплен с образованием гальванического контакта на второй кромке 5 щели, фидер 6 на поверхности цилиндра 2 закреплен вдоль прямой линии, диаметрально противоположной продольной оси щели, с изгибом 13 в окрестности точки возбуждения щели, далее проложен через первый хомут 7 с образованием внешним проводником 14 фидера гальванического контакта с первым хомутом 7, согласующий отрезок кабеля 10 проложен внутри согласующего цилиндра, который охвачен вторым хомутом, центральный проводник 12 фидера гальванически соединен с центральным проводником 11 согласующего отрезка кабеля.

Второй конец фидера 6 установлен в соединитель радиочастотный. При этом в качестве согласующего отрезка кабеля 10 используют либо отрезок стандартного коаксиального кабеля, либо отрезок специальной линии передачи, состоящей из внешнего проводника в виде трубки, центрального проводника в виде стержня или трубки и расположенного между ними полого диэлектрического цилиндра.

Для крепления фидера 6 к цилиндрическому корпусу 2 могут быть использованы стандартизованные хомуты, винты и гайки.

Принцип работы антенны

Антенна работает следующим образом. Электромагнитные колебания в антенне возбуждаются в результате приложения разности потенциалов в двух точках 19 и 20, противолежащих друг другу на первой 4 и второй 5 кромках щели 3. Для эффективного возбуждения антенны диаметр трубы 2 должен быть выбран таким, чтобы частота генератора была бы выше критической частоты основной волны H 00 щелевой линии на цилиндрическом волноводе . С целью иллюстрации этого положения были рассмотрены (пользуясь строгим решением краевой задачи электродинамики) на модельной задаче три ситуации, представленные на фиг. 5.

На фиг. 5 изображена щелевая линия на круглом волноводе, последовательно соединенная с двухпроводной линией, к концу которой подключен генератор напряжения. На фиг. 5 приведены примеры распределения напряженности электрического поля вдоль линии передачи для следующих случаев: а) частота генератора меньше критической частоты основной волны щелевой линии на круговом цилиндре, б) частота генератора примерно равна критической частоте основной волны щелевой линии на круговом цилиндре, в) частота генератора больше критической частоты основной волны щелевой линии на круговом цилиндре. На фиг. 5 напряженность электрического поля пропорциональна длине вектора. Как видно из фиг. 5, в случае а) электромагнитная волна отражается практически от входа в линию передачи. Волна проникает в щелевую линию на пренебрежимо малую в длинах воли глубину. В случае б) в щелевой цилиндрической линии передачи устанавливается экспоненциально убывающее распределение поле. В случае в) в щелевой цилиндрической линии передачи устанавливается стоячая волна. При этом длина стоячей волны в щелевой линии передачи больше, чем длина стоячей волны в двухпроводной линии передачи.

Предпочтительно выбирать диаметр трубы равным 0,14 длины волны в свободном пространстве. Длину щели целесообразно выбрать близкой к половине длины волны основной волны H 00 щелевой линии на цилиндрическом волноводе

Ширина щели 3 не превышает одной тридцатой длины волны. Поэтому неравномерностью в распределении тока на центральном проводнике кабеля в пределах щели 3 можно практически пренебречь. Следовательно, несимметричный коаксиальный кабель введен в область возбуждения антенны таким образом, что он не нарушает ни физической, ни электрической симметрии антенны. Токи смещения, возникающие между внешним проводником фидера 6 и корпусом 2 на участке от изгиба фидера до щели, малы вследствие того, что внешний проводник фидера 6 и корпус 2 имеют гальванический контакт между собой через посредство первого проводящего хомута 7. Гальванический контакт внешнего проводника фидера 6 и корпуса 2 обуславливает равенство напряженности электрического поля нулю в месте их соединения. На участке фидера, расположенном вдоль прямой, диаметрально противоположной оси щели, токи смещения между внешним проводником фидера 6 и корпусом 2 не возбуждаются, поскольку на этом участке пути потенциал равен нулю. Следовательно, потенциально возможным излучением щели, образуемой между внешним проводником фидера 6 и корпусом 2, можно пренебречь. Таким образом, исключается антенный эффект фидера и связанные с ним непредсказуемые искажения диаграммы направленности антенны, изменения входного импеданса антенны, излучение кроссполяризованного поля. Пользуясь строгим решением уравнений Максвелла при заданных идеальных граничных условиях, были вычислены временным методом силовые линии электрического поля в разные моменты времени в течение одного периода колебаний напряжения генератора. Силовые линии в некоторый момент времени показаны на фиг. 6. Для удобства обозначения элементов антенны числами выбран момент времени, когда напряженность электрического поля в непосредственной окрестности щели мала, поэтому силовые линии в этой окрестности на фиг.6 отсутствуют. Вдали от щели наблюдаются уже сформировавшиеся вихри поля, представленные силовыми линиями, не опирающимися на заряды на стенках цилиндра. В промежуточной зоне силовые линии берут начало на нижней половине цилиндра на представленном чертеже и заканчивают свой путь на верхней части цилиндра. В точке, противолежащей точке центра щели, силовая линия не берет и не заканчивает свой путь, поскольку потенциал в этой точке равен нулю. Эта точка является граничной точкой между нижней и верхней половинками цилиндра. По указанному выше правилу здесь должна была бы брать начало и завершать свой путь силовая линия. Однако это оказывается невозможным, т.к. векторы напряженности электрического поля, касательные к нижней и верхней части силовой линии, в этой точке противоположны друг другу и, следовательно, гасят друг друга. По этой причине окрестность линии, противолежащей оси щели, оказывается удобной для прокладки вдоль нее фидера с целью минимизации антенного эффекта фидера.

Указанная выше конструкция антенны обеспечивает удобную регулировку согласования антенны с фидером. Рассмотрим это подробнее, обратившись к эквивалентной схеме антенны на фиг. 3. На фиг. 3 числом 15 обозначен первый конденсатор с емкостью С 1 , образованный внутренней поверхностью согласующего цилиндра 9 и внешней поверхностью внешнего проводника согласующего отрезка кабеля 10. При этом роль диэлектрика выполняет оболочка кабеля. Числом 16 обозначен второй конденсатор с емкостью С 2 , образованный внутренней поверхностью внешнего проводника и поверхностью центрального проводника согласующего отрезка кабеля 10. Числом 17 обозначена индуктивность L, обусловленная протеканием токов по внутренней и внешней поверхностям трубы от первой кромки 4 ко второй кромке 5 щели. Числом 18 обозначено сопротивление R, обусловленное потерями антенны на излучение. Клемма 19 соответствует точке гальванического контакта внешнего проводника фидера через посредство первого проводящего хомута с кромкой 4. Клемма 20 соответствует точке на входе центрального проводника согласующего отрезка кабеля. Числом 21 обозначена точка гальванического контакта согласующего цилиндра через посредство проводящего хомута 8 с краем 5 щели 3.

Два последовательно включенных конденсатора 15 и 16 имеют эквивалентную емкость С 3:

Входное сопротивление на клеммах 19, 20 Z вх, обусловленное последовательным включением эквивалентной емкости С 3 и цепочки из параллельно включенных сопротивления R и индуктивности L, на частоте равно:

На резонансной частоте мнимая часть входного сопротивления равна нулю, т.е.

Сделав в (2) замену в знаменателе множителя в квадратных скобках на его значение из (3), получим величину вх на резонансной частоте:

Идеальное согласование с фидером достигается при равенстве входного сопротивления антенны волновому сопротивлению фидера. При заданных L и R регулировка по согласованию достигается подбором величины эквивалентной емкости С 3 .

В предельном случае, когда отсутствует согласующий цилиндр (C 1 ), эквивалентная емкость С 3 равна емкости С 2 - емкости согласующего отрезка кабеля. Обычно для согласования антенны с фидером требуется иметь небольшое значение величины С 2 . Иногда, при работе в метровом и дециметровом диапазонах волн требуется согласующий отрезок длиной не более десяти миллиметров. Небольшие по абсолютной величине изменения длины отрезка кабеля приводят к сравнительно большим относительным изменениям величины С 2 . Поэтому при точной настройке антенны на рабочую частоту требуется изменять длину согласующего отрезка на доли миллиметра. Необходимость подбора длины согласующего отрезка кабеля с точностью до долей миллиметра затрудняет процесс настройки антенны.

Совсем другая ситуация, когда имеем дело с двумя последовательно включенными емкостями: емкостью C 1 и емкостью C 2 . Известно, что последовательным включением двух конденсаторов получаем эквивалентный конденсатор с емкостью меньше, чем емкости каждого конденсатора в отдельности. Теперь при фиксированном значении С 1 , изменяя емкость C 2 в больших пределах, получим изменения величины эквивалентной емкости в небольших пределах.

Исходная длина согласующего отрезка кабеля очевидно должна быть большей по сравнению с тем случаем, когда нет этого другого конденсатора. Следовательно, изменение длины согласующего отрезка кабеля теперь в относительных единицах больше, а настройка более точной.

Т.е. настройка антенны на рабочую частоту изменением длины согласующего отрезка кабеля, например, путем его подрезания не вызывает затруднений, т.к. изменения длины выполняется на величины, измеряемые миллиметрами.

Антенна обладает следующим достоинством, заключающимся в том, что с введением в состав антенны согласующего цилиндра повышается электрическая прочность антенны. Наибольшая напряженность электрического поля при возбуждении антенны возникает в согласующем отрезке кабеля. В антенне с согласующим цилиндром разность потенциалов между центральны проводником и кромкой трубы теперь распределяется между двумя конденсаторами, первый из них образован центральным проводником и внешним проводником кабеля, второй конденсатор образован внешним проводником кабеля и согласующим цилиндром. Сумма падений напряжений на этих двух конденсаторах равна разности потенциалов между центральным проводником и кромкой. Т.е. напряжение на каждом из конденсаторов меньше, чем общее напряжение, чем и достигается повышение электрической прочности антенны.

Были изготовлены два образца щелевой цилиндрической антенны. Первый образец содержал проводящий цилиндр с продольной щелью, фидер и согласующий отрезок кабеля. В первом образце не было согласующего цилиндра, первого проводящего хомута и второго проводящего хомута. Внешний проводник согласующего фидера имел гальванический контакт непосредственно с кромкой 4. Второй образец отличается от первого тем, что дополнительно содержит согласующий цилиндр, первый проводящий хомут и второй проводящий хомут. Во втором образце использован согласующий отрезок кабеля большей длины, чем в первом образце. Во втором образце согласующий отрезок кабеля проложен внутри согласующего цилиндра и продолжается за его пределами. Ниже будет приведено описание второго образца, соответствующего настоящему изобретению. При описании образца антенны будем обращаться к обозначениям фиг. 1 и фиг. 2.

Образец антенны состоит из цилиндрического корпуса 2 со щелью 3 с первой кромкой 4 и второй кромкой 5, фидера 6, согласующего отрезка кабеля 10, согласующего цилиндра 9, первого хомута 7 и второго хомута 8 и элементов крепежа.

Корпус 2 длиной 720 мм, диметром 130 мм выполнен из луженой жести толщиной 0,3 мм. Корпус в поперечном сечении имеет вид окружности. В корпусе вырезана щель 3 длиной 640 мм, шириной 30 мм с образованием первой кромки 4 и второй кромки 5, параллельных продольной оси цилиндрического корпуса.

В качестве фидера 6 использован серийный коаксиальный кабель РК-50-2-11.

Согласующий отрезок фидера 10 выполнен в виде короткого отрезка коаксиального кабеля РК-50-2-11. Отрезок 10 коаксиального кабеля расположен внутри согласующего цилиндра 9.

Согласующий цилиндр 9 выполнен из латунной трубки с внутренним диаметром 4 мм. При этом были выполнены измерения при трех длинах трубки: 11,5 мм; 7 мм; 5 мм.

Конец согласующего отрезка кабеля 10, противолежащий щели, разомкнут и ни с чем не соединен. Центральный проводник 11 согласующего отрезка 10 коаксиальной линии выходит из согласующего цилиндра 9 и простирается до середины щели 3.

Фидер 6 закреплен на поверхности цилиндра вдоль прямой, диаметрально противоположной продольной оси щели, изогнут в окрестности точки возбуждения антенны, проложен внутри первою хомута 7 и далее располагается над щелью 3, проложен внутри согласующего цилиндра 9 и далее продолжается за пределами цилиндра 9. Наружная изоляция фидера надрезана и снята на длине щели. Внешний проводник (оплетка) разрезан по окружности на входе во второй хомут 8, оплетка расчесана в направлении к кромке 4. Расчесанная оплетка равномерно распределена по кругу и припаяна к хомуту 7. Таким образом, внешний проводник фидера 6 гальванически соединен через хомут 7 с первой кромкой 4 щели, а центральный проводник 12 фидера 6 соединен с центральным проводником 11 согласующего отрезка кабеля 10. Второй конец коаксиального фидера 6 заделан в соединитель радиочастотный.

Для крепления фидера 6 к корпусу 2 использованы стандартизованные хомуты, винты и гайки.

Измеренные на образцах значения реальной ReZ и мнимой ImZ частей входного импеданса антенны прототипа и антенны по настоящему изобретению в диапазоне частот приведены в виде графиков на фиг. 4а).

Измеренные на первом и втором образцах антенны зависимости КСВ от частоты приведены в виде графиков на фиг. 4б). График 22 соответствует первому образцу антенны. При этом длина согласующего отрезка кабеля равна 10,5 мм. Графики 23, 24 и 25 соответствуют второму образцу антенны с длиной согласующего цилиндра 11,5 мм, 7 мм и 5 мм, соответственно. При этом длина согласующего отрезка кабеля равна 20,5 мм, 24 мм и 30 мм, соответственно.

При настройке первого образца антенны на резонансную частоту длина согласующего отрезка кабеля изменялась с дискретом 0,25 мм. Изменение длины согласующего отрезка на 0.25 мм приводило к изменению резонансной частоты на 0,5 МГц. При настройке второго образца антенны на резонансную частоту длина согласующего отрезка кабеля изменялась с дискретом 2 мм. Изменение длины согласующего отрезка на 2 мм приводило к изменению резонансной частоты на 0,5 МГц. Как видно из рассмотрения графиков на фиг. 4, антенна, настроенная на одну и ту же резонансную частоту при разных соотношениях длины согласующего цилиндра и длины согласующего отрезка кабеля, имеет практически одну и ту же зависимость КСВ от частоты. Более выгодно применить согласующий цилиндр меньшей длины.

Действительно, приращение DС 2 эквивалентной емкости С 3 можно найти из соотношения:

Из этого соотношения следует: чем меньше емкость согласующего цилиндра С 1 (чем меньше длина согласующего цилиндра), тем меньше изменяется эквивалентная емкость при одних и тех же приращениях емкости С 2 (приращении длины согласующего отрезка кабеля). При это возможно применение более длинных согласующих отрезков кабеля.

С более длинными согласующими отрезками кабеля более удобно настраивать антенну, т.к. при этом можно использовать традиционный инструмент для подрезки кабеля.

Измерения поляризационных характеристик антенны показали, что антенна обладает линейной поляризацией. Выполненные на антенне измерения свидетельствуют о том, что антенна свободна от антенного эффекта фидера.

Применение изобретения

Изобретение может быть применено в качестве самостоятельной антенны, в качестве элементов более сложных антенн, излучающих элементов антенных решеток, облучателей зеркальных и линзовых антенн.

Антенна при этом может быть использована либо как самостоятельная антенна, либо в качестве элемента линейной антенной решетки.

Предложенная широкополосная вибраторная антенна оказывается полезной во всех тех случаях, когда требуется либо самостоятельная щелевая антенна, либо излучающий (приемный) элемент более сложного антенного устройства или антенной системы, от которых требуются низкие потери в фидере, высокий кпд антенны, малый уровень кроссполяризационного излучения.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Щелевая цилиндрическая антенна, содержащая проводящий цилиндрический корпус, в котором выполнена продольная щель с первой и второй кромками и фидер, отличающаяся тем, что содержит первый хомут, закрепленный на первой кромке щели с образованием гальванического контакта, второй хомут, закрепленный на второй кромке щели с образованием гальванического контакта, согласующий цилиндр и согласующий отрезок кабеля, согласующий цилиндр закреплен на второй кромке щели и проложен через второй хомут, согласующий отрезок кабеля установлен на второй кромке щели и проложен через согласующий цилиндр, фидер закреплен на поверхности цилиндра вдоль прямой линии, диаметрально противоположной продольной оси щели, с загибом в сторону щели в окрестности точки возбуждения щели и проложен через первый хомут с образованием внешним проводником фидера гальванического контакта с первым хомутом, центральный проводник фидера гальванически соединен с центральным проводником согласующего отрезка кабеля.

2. Щелевая цилиндрическая антенна по п. 1, отличающаяся тем, что согласующий цилиндр выполнен в виде кругового проводящего цилиндра.

УДК 621.396.677.71

DOI: 10.14529/ctcr150203

ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ ЩЕЛЕВАЯ АНТЕННА

Д.С. Клыгач, В.А. Думчев, Н.Н. Репин, Н.И. Войтович

Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск

Представлена щелевая цилиндрическая антенна с оригинальным устройством согласования с фидером. Антенна выполнена в виде продольной щели на металлической трубе с диаметром, много меньшим длины волны; длина щели меньше длины волны в свободном пространстве. Параметры антенны найдены численным методом в строгой электродинамической постановке задачи. При этом в электродинамической модели антенны учтена конструкция устройства согласования. Теоретические результаты в рабочем диапазоне частот находятся в хорошем количественном соответствии с экспериментальными результатами, полученными на макетах антенн. Предложенные в статье способ и устройство позволяют простым и удобным образом согласовать антенну с фидером.

Ключевые слова: щелевая антенна, полоса согласования, КСВ.

Введение

Щелевая цилиндрическая антенна была впервые предложена в 1938 г. Аланом Блюмлейном (Alan D. Blumlein) с целью применения в телевизионном вещании в диапазоне ультракоротких волн с горизонтальной поляризацией и круговой диаграммой направленности (ДН) в горизонтальной плоскости . Щелевые антенны не нарушают аэродинамику объектов, на которых они установлены, что в дальнейшем определило их широкое применение на подводных лодках, самолетах, ракетах и других подвижных объектах. Щелевые антенны широко используются также в качестве наземных антенн .

В антенне A. D. Blumlein щель прорезана на всю длину полуволновой вертикальной цилиндрической трубы. Для настройки антенны по согласованию с фидером применено устройство регулировки ширины щели, что неудобно для практического использования.

Известна щелевая цилиндрическая антенна A. Alford , содержащая металлическую трубу со сплошной продольной щелью, короткозамыкатель на одном конце щели и устройство для возбуждения антенны на другом конце щели. Диаметр трубы равен 0,12X...0,15X, где X - длина волны в свободном пространстве. В этой антенне щель шунтируется внешней и внутренней поверхностью трубы. Антенна вследствие сравнительно малого диаметра трубы относительно длины волны представляет собой индуктивное сопротивление. Другим следствием шунтирования щели является увеличение фазовой скорости по сравнению с длиной волны в свободном пространстве; тем большее, чем меньше диаметр трубы. Поэтому длина щели выбирается равной нескольким длинам волн в свободном пространстве.

Известна щелевая цилиндрическая антенна для излучения горизонтально поляризованных волн высоких частот , содержащая проводящий цилиндр с продольной щелью, короткозамкну-той с обоих концов цилиндра, возбуждаемой коаксиальным кабелем, внешний проводник которого гальванически соединён с первой кромкой щели, а центральный проводник гальванически соединён со второй кромкой щели.

Общим недостатком этих антенн является то, что в них нет достаточно простых устройств согласования с фидером. Из-за этого усложняется процесс настройки антенны по согласованию с фидером на заданной рабочей частоте.

Цель работы - разработка цилиндрической щелевой антенны с простым устройством согласования с фидером. Длина антенны не должна превышать одной длины волны в свободном пространстве. Устройство согласования должно быть удобным при настройке цилиндрической щелевой антенны по согласованию на рабочую полосу частот.

Для достижения поставленной цели проводились численные и натурные эксперименты.

1. Постановка задачи

Известен вариант возбуждения щелевой антенны с помощью коаксиального кабеля, при этом внешний проводник коаксиального кабеля гальванически соединен с одним широким краем щели, а центральный проводник гальванически соединён с противоположным широким краем щели. В области щели оболочка и внешний проводник коаксиального кабеля удалены, центральный проводник в диэлектрике проложен над щелью. Если диаметр трубы сравнительно велик, то согласование с кабелем при таком способе возбуждения щели достигается выбором расстояния I от точки возбуждения до узкого края щели. При сравнительно небольшом диаметре трубы такой способ не приводит к желаемой цели.

Известен другой вариант возбуждения щелевой антенны с применением в качестве согласующего устройства разомкнутого на конце отрезка коаксиальной линии передачи , который оказался эффективным, когда щель выполнена на металлической полосе.

Требуется исследовать поведение согласования антенны с фидером при упомянутых способах возбуждения цилиндрической щелевой антенны при условии, что диаметр трубы, в которой выполнена щель, много меньше длины волны.

2. Методы решения проблемы

2.1. Теоретический метод

Для щелевой антенны на цилиндре конечной длины численный эксперимент проводился в строгой постановке прямым пространственно-временным методом решения уравнений Максвелла в интегральной форме . Прямой временной метод решает обобщённую на четырёхмерное пространство краевую электродинамическую задачу. Краевая задача, сформулированная для непрерывного континуума, редуцирована к вариационно- и проекционно-сеточным моделям. При этом учитывается реальная конструкция возбудителя и согласующего устройства. На электродинамическую структуру воздействует короткий видеоимпульс, возбуждающий практически все возможные типы собственных колебаний исследуемого объекта, что делает высоко информативной наблюдаемую реакцию, развёрнутую во времени.

2.2. Экспериментальный метод

Для проведения экспериментальных исследований были изготовлены три макета цилиндрической щелевой антенны. При этом во всех трёх макетах длина щели была одна и та же, равная 0,888 длины волны в свободном пространстве.

На первом макете возбуждение антенны выполнено коаксиальным кабелем, оплетка которого гальванически соединена с одной кромкой щели, а его центральный проводник гальванически соединён с другой кромкой щели.

На втором макете возбуждение антенны выполнено коаксиальным кабелем, оплетка которого гальванически соединена с одной кромкой щели, а его центральный проводник соединен с центральным проводником согласующего отрезка кабеля, размещенного на второй кромке щели. Оплетка согласующего отрезка кабеля гальванически соединена со второй кромкой щели.

На третьем макете возбуждение антенны выполнено коаксиальным кабелем, оплетка которого гальванически соединена с одной кромкой щели, а его центральный проводник соединен с центральным проводником согласующего отрезка кабеля, который проложен через согласующий цилиндр, гальванически соединенный со второй кромкой щели. При этом оплетка согласующего отрезка кабеля гальванически ни с чем не соединена.

Измерения параметров цилиндрической щелевой антенны проводились в соответствии со схемой, приведенной на рис. 1, с помощью измерителя комплексных коэффициентов передачи и отражения ОБЗОР-ЮЗ согласно инструкции по его эксплуатации. Калибровки прибора при калибровочных мерах - холостого хода «ХХ», короткого замыкания «КЗ», согласованной нагрузки «Нагр.» проводились с подключением калибровочных мер к кабелю измерительному через переход Э2-113/4.

Рис. 1. Схема измерений параметров цилиндрической щелевой антенны

С помощью измерителя комплексных коэффициентов передачи и отражения измеряются -КСВ, реальная и мнимая части комплексного сопротивления в сечении, соответствующем соединению измерительного кабеля с кабелем антенны, которое ниже обозначено как сечение Т2Т2.

Измерения проводились на антенном полигоне с отсутствием отражающих предметов на расстоянии до 5 м. Щелевая антенна устанавливалась вертикально с опорой нижней частью ее цилиндра на деревянную подставку, которая крепилась к измерительной треноге. Высота установки щелевой антенны (нижней части ее цилиндра) относительно поверхности полигона была не менее 1,7 м.

Из теории линии передачи конечной длины (рис. 2) известно , что полное эквивалентное сопротивле-

ние линии передачи Zг

в сечении Т2Т2,

женном на расстоянии / от нагрузки с сопротивлением, определяется по следующей формуле: 2н + iZвtg (р/)

Zв + йнЧ (р/) "

Рис. 2. Линия передачи конечной длины

Здесь 2в - волновое сопротивление линии передачи; Р - коэффициент фазы; Zн - сопротивление нагрузки; Zг - внутреннее сопротивление генератора; / - расстояние от нагрузки до рассматриваемого сечения в линии передачи.

В экспериментах роль отрезка кабеля длиной / выполняет кабель антенны, роль отрезка кабеля между сечениями Т2Т2 и ТТ выполняет измерительный кабель.

При измерении по схеме на рис. 2 измеритель комплексных коэффициентов передачи показывает значения реальной и мнимой части входного сопротивления антенны, трансформированного на вход кабеля антенны, т. е. 2(/) .

Для того чтобы найти сопротивление непосредственно на входе антенны (без влияния трансформации сопротивления измерительным кабелем), выразим из формулы (1) , полагая, что 2 (/) нам известно.

2 (/)-iZ в^ (р/)

Zв - iZ (/) ^ (р/)■

Приведённые ниже результаты измерений являются пересчитанными по этой формуле.

3. Полученные результаты

3.1. Вариант возбуждения антенны с гальваническим контактом центрального проводника коаксиального кабеля с кромкой щели

Для проведения натурных экспериментов был изготовлен первый макет цилиндрической щелевой антенны (рис. 3).

Макет антенны 1 содержит корпус 2 с продольной щелью 3 и коаксиальный кабель 6. Корпус 2выполнен из отрезка цилиндрической алюминиевой трубы длиной 1ДА, с внешним диаметром 0Д4А, и толщиной стенки 0,0044^. Продольная щель 3 с первой 4 и второй 5 кромкой имеет длину 0,888^ и ширину 0,033^. Длина коаксиального кабеля 6 РК-50-2-11 равна 640 мм, что составляет половину длины волны в кабеле на рабочей частоте 332 МГц.

Внешний проводник коаксиального кабеля закреплён на первой кромке щели с образованием гальванического контакта с корпусом антенны. В области щели оболочка и внешний проводник коаксиального кабеля удалены; центральный проводник гальванически соединён со второй кромкой щели.

Кабель закреплён на поверхности цилиндра вдоль прямой линии, диаметрально противоположной продольной оси щели, с загибом в сторону щели в точке напротив точки возбуждения щели. Полученные путём пересчёта экспериментальных результатов по формуле (2) зависимости реальной и мнимой части входного сопротивления антенны приведены на рис. 4 и 5, соответственно.

Рис. 3. Макет цилиндрической щелевой антенны

Экспериментальная " * Теоретическая

Частота, МГц

Экспериме Георетиче нтальная екая

Частота. МГц

Рис. 4. Зависимость реальной части входного сопротивления антенны от частоты: а - в рабочем диапазоне частот; б - в широком диапазоне частот

Рис. 5. Зависимость мнимой части входного сопротивления от частоты: а - в рабочем диапазоне частот; б - в широком диапазоне частот

Зависимость КСВ от частоты в широком диапазоне частот антенны представлена на рис. 6.

Эксперимент * * Теоретическая

300 400 500 600 700 800 900 1000

Частота, МГц

Рис. 6. Зависимость КСВ от частоты в широком диапазоне частот

Из рассмотрения графиков, приведённых на рис. 5, видно, что мнимая часть входного сопротивления антенны в широком диапазоне частот принимает положительные значения, т. е. является индуктивной. Следовательно, для компенсации индуктивной составляющей части входного сопротивления антенны необходимо использовать согласующее устройство ёмкостного типа. Воспользуемся на втором макете в качестве согласующего устройства разомкнутым на конце отрезком коаксиальной линией передачи длиной менее четверти длины волны. Входное сопротивление такого отрезка является ёмкостным. В результате такое устройство согласования компенсирует индуктивную часть входного сопротивления цилиндрической щелевой антенны.

3.2. Вариант возбуждения антенны с применением согласующего отрезка кабеля

Итак, во втором варианте возбуждения антенны в качестве согласующего устройства применён разомкнутый на конце отрезок коаксиальной линии передачи, длиной менее четверти длины волны (рис. 7).

Как известно , входное сопротивление разомкнутого на конце отрезка линии передачи длиной менее четверти длины волны является ёмкостным. В результате последовательного включения такого устройства согласования на рабочей частоте компенсируется индуктивная часть входного сопротивления антенны.

Во втором макете цилиндрической щелевой антенны применен в качестве согласующего устройства отрезок коаксиальной линии передачи 7, подобно тому, как авторы применили его в широкополосной турникетной щелевой антенне с круговой диаграммой направленности с горизонтальной поляризацией поля излучения . Согласующий отрезок длиной 0,028Х, где X - длина волны на средней частоте рабочего диапазона частот, размещён на второй кромке щели с образованием гальванического контакта между внешним проводником отрезка кабеля и трубой. Центральный проводник кабеля антенны гальванически соединён с центральным проводником согласующего отрезка кабеля. Длина кабеля антенны равна 640 мм.

Как и в первом макете, кабель закреплён на поверхности цилиндра вдоль прямой линии, диаметрально противоположной продольной оси щели, с загибом в сторону щели в окрестности точки возбуждения щели.

На графике зависимости реальной части входного сопротивления от частоты (рис. 8) видно, что в диапазоне частот 330-450 МГц, значение реальной части равно (50 ± 10) Ом. Мнимая часть входного сопротивления в этом диапазоне возрастает от -50 до +120 Ом, на частоте 332 МГц значение мнимой части входного сопротивления равно нулю (рис. 9). На рис. 10 показана зависимость КСВ от частоты в широком диапазоне частот антенны.

Рис. 7. Цилиндрическая щелевая антенна

Эксперимент Теоретическая

" Г " 1 " -1- i

Эксперимент Теоретическая

1 ■ ■ ■ -,- -

Частота. МГц

Частота, МГц

Рис. 8. Зависимость реальной части входного сопротивления антенны от частоты: а - в рабочем диапазоне частот; б - в широком диапазоне частот

Okciicj "Гсорс HIMCHT и ческая

Эксперимент Теоретическая

Частота, МГц

Частота, МГц

Рис. 9. Зависимость мнимой части входного сопротивления антенны от частоты: а - в рабочем диапазоне частот; б - в широком диапазоне частот

Эксперимент * Теоретическая

■ ■ 1 1 ■ « ■ ■

Частота. МГц

Рис. 10. Зависимость КСВ от частоты в рабочем диапазоне частот

Результаты исследования численным методом зависимости резонансной частоты антенны от длины согласующего отрезка кабеля приведены на рис. 11.

На резонансной частоте мнимая часть входного сопротивления антенны равна нулю, при этом КСВ принимает минимальное значение. Как следует из рассмотрения графиков рис. 11, при увеличении длины согласующего отрезка кабеля минимум КСВ смещается в область низких частот. При изменении длины согласующего отрезка кабеля на 3 мм резонансная частота смещается на 3,5 МГц, т. е. при изменении длины согласующего отрезка кабеля на 1 мм, смещение точки

резонанса по частоте равно примерно 1,2 МГц. Поэтому при точной настройке антенны на рабочую частоту требуется изменять длину согласующего отрезка кабеля на доли миллиметра. Необходимость подбора длины согласующего отрезка кабеля с точностью до долей миллиметра затрудняет процесс настройки антенны.

Эк »-Те спсримент еретическая

Частота, МГц

Рис. 11. Зависимость КСВ антенны от частоты при различной длине согласующего отрезка:

а - 12 мм; б - 15 мм; в - 18 мм; г - 21 мм

3.3. Вариант возбуждения антенны с применением согласующего отрезка кабеля и согласующего цилиндра

С целью выполнения более удобной настройки антенны по согласованию в антенну введено дополнительно устройство в виде короткого трубчатого цилиндрика, называемого далее согласующим цилиндром (рис. 12, 13). Согласующий цилиндр длиной 0,011^, диаметром 0,0044^ расположен на трубе в окрестности второй кромки с образованием гальванического контакта с трубой. Согласующий отрезок кабеля проложен внутри согласующего цилиндра. Центральный проводник кабеля антенны гальванически соединён с центральным проводником согласующего отрезка кабеля. На рис. 12 это соединение условно показано в виде механического соединения путём скрутки центральных проводников. В реальном макете согласующий отрезок кабеля является естественным продолжением возбуждающего кабеля, на котором в области щели удалены оболочка и внешний проводник. Для обеспечения большей площади гальванического контакта с трубой кабель крепится к трубе с помощью муфт с цилиндрическим отверстием и поверхностью цилиндрической формы, прилегающей к трубе.

Идея включения согласующего цилиндра в состав согласующего устройства заключается в следующем. Внутренняя поверхность согласующего цилиндра и внешняя поверхность внешнего проводника согласующего отрезка кабеля образуют цилиндрический конденсатор. (Между обкладками этого конденсатора расположена диэлектрическая оболочка коаксиального кабеля). Этот дополнительно образованный конденсатор последовательно соединён с конденсатором, образованным согласующим отрезком кабеля. Как известно, два последовательно включенных конденсатора совместно имеют ёмкость меньшую, чем меньшая ёмкость соединяемых конденсато-

ров. Следует выбрать длину согласующего цилиндра такой, чтобы образованный конденсатор имел бы ёмкость по величине, близкую требуемой ёмкости для согласования. Тогда настройка антенны по согласованию может быть выполнена за счёт изменения ёмкости большой величины. То есть в качестве согласующего отрезка кабеля можно выбрать отрезок кабеля сравнительно большой длины, а настройку вести путём его подрезания. При этом оказывается, что отрезаемые части кабеля будут иметь сравнительно большую длину. Это обстоятельство делает настройку антенны более удобной.

Рис. 12. Макет цилиндрической щелевой антенны с согласующим цилиндром и согласующим отрезком кабеля: 1 - труба; 2 - согласующий отрезок кабеля; 3 - согласующий цилиндр;

4 - щель; 5 - фидер

Рис. 13. Сечение А-А согласующего устройства на рис. 12: 1 - согласующий цилиндр; 2 - оболочка кабеля; 3 - внешний проводник коаксиального кабеля; 4 - диэлектрик; 5 - центральный проводник коаксиального кабеля; 6 - стенка трубы

Длина согласующего отрезка 32 мм - »-Эксперимент - Теоретическая Длина согласующего отрезка 28 мм -- Эксперимент «-- Теоретическая Длина согласующего отрезка 26 мм --- Эксперимент -Теоретическая

\ V Y\ V\ y\ V\ \\ u V V и \\ v

\\ V \\ \ \ \ \\ v k\ V 1 \ Л \

\\ \ u \ v y- \ \v \v уУ J?" Х/ А V J /У // (/ / / // у

300 310 320 330 340 350 360

Частота, МГц

Рис. 14. Зависимость КСВ антенны от частоты при различной длине согласующего отрезка

На рис. 14 приведены расчётные зависимости КСВ от частоты для различных значений длины согласующего отрезка при неизменной длине и диаметре согласующего цилиндра.

В электродинамической модели антенны учтены все конструктивные элементы, включая муфты. При увеличении длины согласующего отрезка, минимум КСВ смещается в область низких частот. При изменении длины согласующего отрезка на 4 мм, резонансная частота смещается на 2 МГц, т. е. при изменении длины согласующего отрезка на 1 мм, резонансная частота смещается на 0,5 МГц. Таким образом, с введением в конструкцию антенны согласующего цилиндра настройка антенны на заданную частоту оказывается более удобной.

4. Обсуждение результатов

Итак, рассмотрена щелевая цилиндрическая антенна, выполненная на металлической трубе с диаметром много меньшим длины волны. Труба имеет длину большую длины волны, а длина щели имеет длину менее одной длины волны в свободном пространстве, так что щель закорочена

с обоих концов.

Входное сопротивление такой антенны при возбуждении её в центре коаксиальным кабелем таким образом, что его внешний проводник имеет гальванический контакт с одним краем щели, а центральный проводник имеет гальванический контакт с другим краем щели имеет большую индуктивную составляющую. В результате антенна оказывается плохо согласованной с фидером. Смещением точки возбуждения вдоль широкой кромки щели не удаётся согласование антенны с фидером.

Последовательным включением короткого согласующего отрезка кабеля удаётся скомпенсировать на одной частоте реактивную (индуктивную) составляющую входного сопротивления антенны и таким образом добиться идеального согласования на одной рабочей частоте. Однако при этом обнаруживается большая критичность к длине согласующего отрезка кабеля.

Введение в конструкцию согласующего цилиндра позволяет сделать более удобной настройку антенны на рабочую частоту. Удобство это заключается в том, что для смещения резонансной частоты на некоторую величину требуется изменить длину согласующего кабеля на большую величину, по сравнению с той величиной, которая требуется в его отсутствии.

Предложенные способ и устройство позволяют удобным образом согласовать антенну с фидером, в которой диаметр трубы много меньше длины волны, а длина щели меньше длины волны.

Как следует из рассмотрения графиков на рис. 8-10, 14 в области рабочих частот антенны (330...334 МГц) наблюдается хорошее количественное соответствие между расчётными и экспериментальными результатами. Расчётные и экспериментальные зависимости от частоты реальной и мнимой части входного сопротивления и КСВ совпадают между собой с графической точностью. За пределами рабочего диапазона (при f < 328 МГц и при f > 332 МГц) наблюдается заметное отличие в расчётных и экспериментальных результатах. Это отличие можно объяснить тем фактом, что кабель антенны в экспериментах проявляет себя как проходной резонатор, образованный отрезком линии передачи, соизмеримым с длиной волны, нагруженным с одного конца на входное сопротивление антенны, а с другого конца - на сопротивление, образованное неоднородностью в виде перехода с одного типа кабеля на другой тип кабеля через соединители радиочастотные. Упомянутая неоднородность образуется в результате того, что, каждый из кабелей имеет волновое сопротивление, отличающееся от 50 Ом на некоторую величину. Кроме того, соединители радиочастотные имеют не идеальное согласование. Дополнительная погрешность в результаты измерений вносится оттого, что при калибровке прибора «0бзор-103» используется дополнительный переход с разъёма РТС на разъём «Экспертиза». Резонансные свойства проходного резонатора проявляются в виде осциллирующей составляющей на графиках зависимости реальной и мнимой части входного сопротивления антенны от частоты. В окрестности рабочей частоты, на которой может быть достигнуто идеальное согласование, влияние проходного резонатора исключается.

Заключение

Таким образом, выполнены теоретические и экспериментальные исследования трёх вариантов цилиндрической щелевой антенны с тремя вариантами устройств возбуждения:

С известным устройством возбуждения (без применения согласующих устройств);

С устройством возбуждения с применением устройств согласования антенны с фидером в виде короткого открытого на конце отрезка кабеля;

С устройством возбуждения с применением оригинального устройства согласования, включающего в себя согласующий отрезок коаксиального кабеля и согласующего цилиндра.

При этом во всех трёх вариантах диаметр трубы много меньше длины волны, длина антенны не превышает одной длины волны в свободном пространстве. Оригинальное устройство согласования обеспечивает простое и удобное согласование и настройку цилиндрической щелевой антенны на рабочую частоту. Теоретические и экспериментальные результаты в области рабочих частот находятся в хорошем количественном соответствии.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках комплексного проекта «Создание высокотехнологичного производства антенн и аппаратных модулей для двухчастотного радиомаячного комплекса системы посадки метрового диапазона формата ILSIII категории ICAO для аэродромов гражданской авиации, включая аэродромы с высоким уровнем снежного покрова и сложным рельефом местности» по договору № 02.G25.31.0046 между Министерством образования и науки Российской Федерации и Открытым акционерным обществом «Челябинский радиозавод «Полёт» в кооперации с головным исполнителем НИОКТР - Федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет).

Литература/References

1. British patent № 515684. HF Electrical Conductors.

2. Voytovich N.I., Klygach D.S., Repin N.N. Slot Turnstile Antenna. 7th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP - 2013), 8-12 April 2013, Gothenburg, Sweden, 2013, p. 1208-1212.

3. Alford A. Long Slot Antennas. Proc. of the National Electronics Conference, Chicago, IL October 3-5, 1946, p.143.

4. Kraus J.D. Antennas - 1988, TATA McGRAW-HILL Edition, New Delhi, 1997. 894 p.

5. Voytovich N.I., Klygach D.S., Repin N.N. Slot Turnstyle Antenna. 2013 7th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), IEEE Xplore, pp. 1209-1212.

6. Weiland Т. A Discretization Method for the Solution of Maxwell"s Equations For Six-Component Fields. Electronics and Communication, (AEU), 1977, vol. 31, pp. 116-120.

7. Пименов А.Д. Техническая электродинамика. М.: Радио и связь, 2005. 483 с.

Клыгач Денис Сергеевич, канд. техн. наук, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; [email protected].

Думчев Владимир Анатольевич, инженер, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; [email protected].

Репин Николай Николаевич, инженер, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; [email protected].

Войтович Николай Иванович, д-р техн. наук, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; [email protected].

DOI: 10.14529/ctcr150203

A SLOTTED CYLINDER ANTENNA

D.S. Klygach, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, [email protected], V.A. Dumchev, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, vladimir. [email protected],

N.N. Repin, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, [email protected],

N.I. Voytovich, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, [email protected]

A slotted cylinder antenna with the original matching device is presented in the paper. A slotted cylinder antenna is made on the shape of longitudinal slot based on a metallic tube with diameter much smaller than the wave length. The length of the slot is much smaller than the wave length in

free space. The antenna parameters are found by numerical method in the strict electrodynamic formulation of the problem. For this purpose the construction of the matching device is taken into account in the electrodynamic model of the antenna. Reached theoretical results in antenna bandwidth of examined antenna demonstrate good quantitative match with experimental results. The method and original matching device suggested in the paper are characterized by simplicity of the antenna matching with a feeder.

Keywords: slot antenna, pattern, bandwidth, VSWR.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ

REFERENCE TO ARTICLE

Цилиндрическая щелевая антенна / Д.С. Клыгач,

B.А. Думчев, Н.Н. Репин, Н.И. Войтович // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». - 2015. - Т. 15, № 2. -

C. 21-31. DOI: 10.14529/ctcr150203

Klygach D.S., Dumchev V.A., Repin N.N., Voy-tovich N.I. A Slotted Cylinder Antenna. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Computer Technologies, Automatic Control, Radio Electronics, 2015, vol. 15, no. 2, pp. 21-31. (in Russ.) DOI: 10.14529/ctcr150203

Теоретическая часть

1. Назначение и особенности волноводно-щелевых антенн

Волноводно-щелевая антенна (ВЩА) относится к классу линейных (плоских) многоэлементных антенн. Излучающими элементами таких антенн являются щели, прорезаемые в стенках волноводов, объемных резонаторов или металлических основаниях полосковых линий. На практике находят применение ВЩА с неподвижной в пространстве диаграммой направленности (ДН), а также ВЩА с механическим, электромеханическим и электрическим сканированием .

К достоинствам ВЩА можно отнести:

Отсутствие выступающих частей, что позволяет совмещать их излучающую поверхность с внешней поверхностью корпуса летательных аппаратов, не внося при этом дополнительного аэродинамического сопротивления;

Сравнительно несложное возбуждающее устройство и простота в эксплуатации.

Основным недостатком ВЩА является ограниченность диапазонных свойств. При изменении частоты в несканирующей ВЩА луч отклоняется от заданного положения в пространстве, что сопровождается изменением ширины ДН и нарушением согласования антенны с питающим фидером.

2. Основные параметры щели в волноводе

Щель, вырезанная в волноводе, будет возбуждаться, если ее широкая сторона пересекает токи, текущие по внутренним стенкам. При построении ВЩА на основе прямоугольного волновода с основной волной Н 10 необходимо учитывать, что в широкой стенке волновода имеются продольные и поперечные составляющие поверхностного тока, а в узкой стенке – только поперечные. Щели могут быть вырезаны в широкой и узкой стенках волновода.

Рассмотрим щель, расположенную на широкой стенке волновода продольно по отношению к осевой (средней) линии широкой стенки (рис.1).

Такая щель возбуждается поперечной составляющей тока, если она смещена относительно средней линии на расстояние х 1 . При х 1 =0 излучение щели отсутствует. Изменяя величину смещения щели х 1 , можно регулировать интенсивность ее излучения.

При возбуждении щели токами, текущими по внутренним стенкам волновода, происходит излучение электромагнитной энергии как во внешнее пространство, так и в волновод. Для анализа работы щели вводят понятия внешней и внутренней проводимостей щели, определяемых внешним и внутренним излучением щели соответственно. Зная величины данных проводимостей, можно определить резонансную частоту щелей разной длины и проследить ее зависимость от расположения на стенке волновода.

Как известно, щель, прорезанная в волноводе, нарушает режим его работы, вызывая отражение энергии: часть ее излучается, остальная проходит дальше по волноводу. Таким образом, можно считать, что щель служит нагрузкой для волновода, на которой рассеивается часть мощности, эквивалентной мощности излучения. Поэтому для упрощения анализа можно заменить волновод эквивалентной двухпроводной линией, в которую включены нагрузки параллельно или последовательно в зависимости от типа щели (продольная щель эквивалентна параллельному включению, поперечная щель – последовательному).

3. Разновидности ВЩА

По принципу, на котором основана работа ВЩА, различают резонансные и нерезонансные волноводно-щелевые антенны.

В резонансных антеннах расстояние между соседними щелями выбирают равным l В (щели, синфазно связанные с полем волновода) или l В /2 (щели, переменно-фазно связанные с полем волновода), где l В – длина волны в волноводе, и на конце волновода устанавливают короткозамыкающий поршень. Таким образом, резонансные антенны являются синфазными и, следовательно, направление их максимального излучения совпадает с нормалью к продольной оси антенны. Синфазное возбуждение продольных щелей, расположенных по разные стороны относительно средней линии, обеспечивается за счет дополнительного фазового сдвига по фазе на 180°, обусловленного противоположными по направлению токами по обеим сторонам осевой линии широкой стенки волновода.

Резонансную антенну можно хорошо согласовать с питающим фидером в достаточно узкой полосе частот. Действительно, так как каждая щель отдельно не согласована с волноводом, то все отраженные от щелей волны складываются на входе антенны синфазно и коэффициент отражения системы становится большим. Поэтому обычно отказываются от синфазного возбуждения отдельных щелей и выбирают расстояние между ними d¹l В /2.

Характерной особенностью получаемой таким образом нерезонансной волноводно-щелевой антенны (НВЩА) является более широкая полоса частот, в пределах которой имеет место хорошее согласование, так как отдельные отражения при большом числе излучателей почти полностью компенсируются. Однако отличие расстояния между щелями от l В /2 приводит к их несинфазному возбуждению падающей волной и отклонению направления главного максимума излучения от нормали к оси антенны. Для устранения отражения от конца волновода обычно устанавливают оконечную поглощающую нагрузку.

Как было указано выше, НВЩА имеет хорошее согласование с фидером в достаточно широком диапазоне. Исключение составляет случай, когда d»l В /2; при этом отраженные волны складываются в фазе и коэффициент бегущей волны (КБВ) в волноводе резко падает. Подобный характер изменения КБВ при приближении расстояния между щелями к величине l В /2 носит название эффекта нормали.

Недостатком НВЩА являются меньший, чем у резонансных антенн, коэффициент полезного действия (для его увеличения следует повышать интенсивность возбуждения щелей) и не устранимые амплитудные искажения (для их уменьшения следует снижать интенсивность возбуждения щелей). Исходя из этого, интенсивность возбуждения необходимо выбирать из компромиссных соображений.

4. Особенности антенн доплеровского измерения скорости и угла сноса самолета (антенн ДИСС)

Задача по определению истинного местоположения летательного аппарата (ЛА) в пространстве при воздействии на него метеорологических факторов может быть решена, если известны продольная и поперечная составляющие его скорости. Данные величины обычно определяются косвенно путем измерения доплеровских частот. Известно , что радиосигнал частотой f, отраженный от объекта (например, от ЛА), движущегося в пространстве со скоростью V, получает дополнительное приращение по частоте

где a - угол между вектором скорости и радиальным направлением на ЛА. Знак доплеровского приращения положительный, если объект движется навстречу источнику радиоизлучения, и отрицательный, если объект удаляется от него.

Антенны ДИСС позволяют, измеряя доплеровские составляющие, определять продольную и поперечную скорости ЛА, и скорость его перемещения в вертикальном направлении. Такие антенны формируют четыре луча так, как показано на рис.2.

Поскольку доплеровские составляющие, вызванные движением ЛА с некоторой скоростью, в передних и задних лучах имеют разный знак, а случайные (помеховые) составляющие в них приблизительно одинаковы, то, вычитая сигналы со второй пары лучей из сигналов первой пары, можно добиться компенсации помехи и, следовательно, повышения точности измерения скорости ЛА.

Антенны доплеровского измерения скорости и угла сноса самолета часто строятся на основе решеток ВЩА. Для защиты от атмосферных осадков и пыли раскрыв антенных решеток закрывают диэлектрической пластиной или помещают всю излучающую систему в радиопрозрачный обтекатель.

антенна волновод щель доплеровский

5. Расчёт ВЩА

5.1 Расчёт широкой стенки волновода

Решим систему уравнений, из которой найдем a и лкр.

а надо выбрать таким чтобы длина волны в волноводе состовляла 0.9 от критической длины волны.

5.2 Расчёт расстояния между щелями d, возьмём цmax=-20 град, d найдём решив уравнение.

Журнал "Радио", номер 9, 1999г.

Если судить по иностранной радиолюбительской литературе, скелетно-щелевая антенна пользуется популярностью на частотах выше 20 МГц. В публикуемой статье предпринята попытка ответить на вопрос - насколько заявленный в литературе ее коэффициент направленного действия соответствует действительности.

В книгах по УКВ антеннам неоднократно описывалась так называемая скелетно-щелевая антенна, причем все без исключения публикации сообщали о ее весьма высоких параметрах, большом коэффициенте направленного действия (КНД), широкой полосе частот и удобстве настройки. Идея антенны предложена Дж. Рамсеем еще в 1949 г. , ее конструкция показана на рис.1, заимствованном из . Активный элемент антенны представляет собой три параллельных полуволновых диполя, расположенных в три этажа друг над другом.

Для уменьшения габаритов антенны концы верхнего и нижнего диполей согнуты под прямым углом по направлению к среднему диполю и соединены с ним. От него же они и возбуждаются. Средний диполь сделан разрезным и соединен с согласующей четвертьволновой двухпроводной линией, одновременно служащей для крепления рефлектора. Рефлектор выполнен как у волнового канала в виде одиночного вибратора, электрическая длина которого несколько больше полуволны. Размеры антенны в длинах волн и значения коэффициента укорочения k, зависящего от диаметра проводников (трубок) d, приведены на рис. 1. Перемещая точку питания XX вдоль двухпроводной линии, можно изменять входное сопротивление антенны от нулевого (около рефлектора) до примерно 400 Ом (в точке YY около активного элемента).

Распределение тока в активном элементе показано на рис. 2. Видно, что пучности (максимумы) тока расположены как раз посередине горизонтальных частей элемента, образуя трехэтажную синфазную систему. В вертикальных частях активного элемента токи невелики и направлены навстречу друг другу. Кроме того, здесь находятся четыре узла тока, поэтому излучение вертикальных частей в дальней зоне отсутствует. Напомним, что в дальней зоне практически полностью формируется диаграмма направленности антенны. Расстояние до дальней зоны составляет несколько длин волн. Оно тем больше, чем больше КНД антенны.

Активный элемент скелетно-щелевой антенны можно также рассматривать как два квадрата, совмещенных одной стороной и точками питания. Однако по сравнению с двумя полноразмерными квадратами периметр активного элемента скелетно-щелевой антенны получается несколько меньше, вероятно изза укорачивающего действия емкости между вертикальными проводниками элемента. Похожую антенну предложил К. Харченко , но в ней два квадрата запитаны с углов и совмещены точками питания.

У простой скелетно-щелевой антенны недостаточно эффективен рефлектор. Устранить этот недостаток можно, выполнив рефлектор точно так же, как и активный элемент (в виде такой же трехэтажной конструкции вибраторов). Двухпроводные линии теперь уже нельзя разместить между элементами, но никто не мешает провести их в плоскости каждого элемента к точке с нулевым потенциалом в середине нижнего горизонтального вибратора.

То, что получается после такой модификации, изображено на рис. 3. Размеры самих элементов остаются прежними, а расстояние между активным элементом и рефлектором уменьшается до 0,18. У этой антенны есть и еще одно достоинство. Перемещая по двухпроводным линиям закорачивающие перемычки, элементы удается подстраивать ее на нужную частоту, а передвигая перемычку рефлектора, легко настроить антенну на максимальный КНД или отношение излучения вперед-назад.

Для такой двухэлементной антенны, описанной в [ и ], сообщается о необычайно высоком КНД в 14...16 дБ! Если бы вторая из названных книг была не серьезным изданием, тогда еще можно было махнуть рукой и не принимать этой цифры всерьез. Но эта книга в целом очень хорошая и почти не содержит ошибок. Ее автор, конечно, не мог испытать все множество приведенных в ней конструкций. Следовательно, если это ошибка, то она появилась раньше, в каких-то других изданиях, и найти первоисточник теперь затруднительно. Вполне понятно, что синфазная система вибраторов должна давать больший КНД, чем одиночный вибратор, но вопрос - насколько? Хотя в на с. 100 и утверждается, что антенна "...фактически является шестиэлементной трехэтажной синфазной", но ведь вибраторы оказываются довольно близко друг к другу, и к тому же укорочены. Это неизбежно должно снизить эффективность. Таким образом, вопросов оказалось больше, чем ответов. К тому же знакомые автору радиолюбители собрались строить именно такую антенну на диапазон 10 метров и уже готовы были потратиться на материал, а он нынче недешев!

Чтобы получить ясный и четкий ответ на вопрос о КНД, был проведен эксперимент в диапазоне 432 МГц. Элементы были согнуты в соответствии с рис. 3 из отрезков эмалированного медного провода диаметром 1,5 мм, соединения пропаяны, а проводники линий в местах установки замыкающих перемычек и присоединения кабеля зачищены от изоляции. Вся конструкция была собрана на деревянном каркасе из сухих тонких реек. Кабель питания проходил от точек питания вдоль того проводника двухпроводной линии, с которым соединялась оплетка, вертикально вниз и подключался непосредственно к выходу генератора стандартных сигналов. Индикатором поля служил полуволновый диполь с детектором и микроамперметром. Он располагался на штативе на расстоянии нескольких метров от антенны. Антенна также закреплялась на примитивном поворотном штативе, который позволял изменять ее ориентацию.

Настроилась антенна достаточно легко и быстро, просто по максимуму излучения в главном направлении. При указанных размерах на частоте 432 МГц расстояния замыкающих перемычек от основания двухпроводных линий для настроенной антенны получились такими: у рефлектора - 43 мм, у активного элемента - 28 мм. Расстояние до точки подключения 50-омного кабеля было 70 мм.

При настройке на максимум КНД обнаруживается небольшой задний лепесток. Подстроив рефлектор, его можно подавить практически полностью. Излучение вбок, вверх и вниз отсутствовало.

КНД, точнее выигрыш антенны, равный произведению КНД и КПД, определялся следующим образом: на индикаторе отмечался уровень сигнала, создаваемый антенной в главном направлении, затем вместо антенны к питающему кабелю подсоединялся полуволновый диполь, расположенный в той же точке пространства. Уровень сигнала от генератора повышался настолько, чтобы получить на индикаторе те же самые показания. Отсчитанное по аттенюатору генератора изменение уровня сигнала численно равно выигрышу антенны относительно полуволнового диполя. Для данной антенны он оказался равным 7 dBd. Относительно изотропного (всенаправленного) излучателя он будет на 2,15 dB больше и составит около 9,2 dBi.

Обратите внимание на буквы d и i в обозначении децибелов - в литературе по антеннам так принято указывать, относительно какого излучателя измерен КНД. Ширина диаграммы направленности по половинной мощности составила в горизонтальной плоскости (по азимуту) около 60°, а в вертикальной плоскости (по углу места) около 90°. Имея эти данные, КНД можно рассчитать и еще одним способом: телесный угол, в который излучает антенна, равен произведению линейных углов, соответствующих ширине диаграммы и выраженных в радианах. Получаем значение около 1,5 стерадиана. В то же время изотропная антенна излучает в телесный угол 4 , или 12,6 стерадиана. КНД по определению есть отношение этих телесных углов и составляет 12,6/1,5 = 8,4 или 9,2 dBi.

Получив столь хорошее совпадение значений КНД, определенных двумя методами, автор решил, что измерять больше уже нечего и с легким разочарованием лишний раз убедился, что чудес в антенной технике не бывает. Тем не менее антенна работает очень хорошо и при небольших габаритах (330x120x120 мм в диапазоне 432 МГц) обеспечивает весьма приличный выигрыш.

Уважаемые читатели! C 18.11.2019 г. по 17.12.2019 г. нашему университету предоставлен бесплатный тестовый доступ к новой уникальной коллекции в ЭБС «Лань»: «Военное дело» .
Ключевой особенностью данной коллекции является образовательный материал от нескольких издательств, подобранный специально по военной тематике. Коллекция включает книги от таких издательств, как: «Лань», «Инфра-Инженерия», «Новое знание», Российский государственный университет правосудия, МГТУ им. Н. Э. Баумана, и некоторых других.

Тестовый доступ к Электронно-библиотечной системе IPRbooks

Уважаемые читатели! C 08.11.2019 г. по 31.12.2019 г. нашему университету предоставлен бесплатный тестовый доступ к крупнейшей российской полнотекстовой базе данных - Электронно-библиотечной системе IPR BOOKS . ЭБС IPR BOOKS содержит более 130 000 изданий, из которых более 50 000 - уникальные учебные и научные издания. На платформе Вам доступны актуальные книги, которые невозможно найти в открытом доступе в сети Интернет.

Доступ возможен со всех компьютеров сети университета.

«Карты и схемы в фонде Президентской библиотеки»

Уважаемые читатели! 13 ноября в 10:00 библиотека ЛЭТИ в рамках договора о сотрудничестве с Президентской библиотекой им.Б.Н.Ельцина приглашает сотрудников и студентов Университета принять участие в конференции-вебинаре «Карты и схемы в фонде Президентской библиотеки». Мероприятие будет проходить в формате трансляции в читальном зале отдела социально-экономической литературы библиотеки ЛЭТИ (5 корпус пом.5512).