ПЕРЕСТРАИВАЕМАЯ МАЛОГАБАРИТНАЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ АНТЕННА
MULTIPLE-TUNED SMALL HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTING ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться при конструировании настраиваемых и перестраиваемых в широкой полосе частот электрически малых антенн KB и УКВ диапазонов, выполненных из высокотемпературного сверхпроводящего материала.
Известна конструкция сверхвысокочастотной высокотемпературной сверхпроводящей электрически малой вибраторной антенны с длиной вибратора, существенно меньшей резонансной длины волны [Климов А.Ю. и др. Миниатюрная высокотемпературная сверхпроводящая антенна СВЧ диапазона. Журнал «Сверхпроводимость: физика, химия, техника», 1993 г., т.6, №11-12, с.2150-2159]. Настройка такой антенны осуществляется за счет изменения длины участка линии между точками подключения диполя и согласующих шлейфов. Однако такая антенна может работать только в узкой полосе частот в районе фиксированной частоты настройки антенны.
5
2
1
1
2
Σ
п
п
Σ
п
Известна конструкция перестраиваемого высокодобротного сверхпроводящего (ВТСП) контура [Пат. RU 2170489], с добротностью до 10 и выше, в которой возможно управление частотой настройки в широкой полосе с коэффициентом перекрытия f/f=5-6, где f, f - соответственно минимальная и максимальная частоты настройки. Перестройка ВТСП контура осуществляется путем изменения расстояния между диэлектрическими пластинами, на которых расположены ВТСП катушки индуктивности и емкостные площадки. Недостатком такого контура является использование в качестве входного элемента связи индуктивных петель, образованных центральными проводниками коаксиальных линий. Так как сама коаксиальная линия выполнена из несверхпроводящих проводников, то она обладает достаточно большими, по сравнению с контуром, потерями. Поэтому присоединение антенны к ВТСП контуру через эту коаксиальную линию целесообразно только для антенн, имеющих достаточно большое сопротивление излучения R>>R, где R - полное сопротивление потерь антенны и коаксиальной линии (т.е. вибраторная антенна с длиной 21=λ/2, где λ - длина волны). Это обстоятельство не позволяет использовать такой контур в качестве элемента перестройки малогабаритных вибраторных антенн KB и УКВ диапазона с излучателями длиной 2L <<λ, так как у них R меньше или сравнимо с R. С другой стороны, возможность уменьшения размеров антенн представляет особый интерес именно в KB и УКВ диапазонах волн, где физические размеры антенн составляют от нескольких метров до сотен метров.
Технической задачей данного изобретения является создание малогабаритной узкополосной, перестраиваемой в широкой полосе частот, высокотемпературной сверхпроводящей антенны, работающей в KB и УКВ диапазонах, обладающей высоким коэффициентом полезного действия и рабочей полосой частот, согласованной с полосой принимаемого сигнала.
Поставленная задача достигается тем, что перестраиваемая малогабаритная высокотемпературная сверхпроводящая антенна, содержащая плоский симметричный вибратор и входной и выходной элементы связи, выполненные из высокотемпературного сверхпроводника, и первую диэлектрическую пластину, согласно изобретению дополнительно содержит вторую диэлектрическую пластину, установленную параллельно первой диэлектрической пластине, на поверхности первой и второй диэлектрических пластин, обращенные одна к другой, нанесены плоские спиральные проводники с противоположным по отношению друг к другу направлением закрутки и емкостные площадки, соединенные соответственно с концами плоских спиральных проводников, плоские спиральные проводники и емкостные площадки выполнены из высокотемпературного сверхпроводника, входной и выходной элементы связи выполнены в форме плоских петель, при этом концы входной плоской петли соединены соответственно с плечами плоского симметричного вибратора, плоский симметричный вибратор и входная плоская петля нанесены на одну из поверхностей дополнительно введенной третьей диэлектрической пластины, размещенной параллельно первой диэлектрической пластине, выходная плоская петля нанесена на одну из поверхностей дополнительно введенной четвертой диэлектрической пластины, размещенной параллельно второй диэлектрической пластине, причем первая и вторая диэлектрические пластины установлены с возможностью изменения их взаимного положения.
При этом третья диэлектрическая пластина установлена с возможностью изменения положения относительно первой и второй диэлектрических пластин, а четвертая диэлектрическая пластина установлена с возможностью изменения положения относительно второй диэлектрической пластины.
Кроме того, на третьей диэлектрической пластине в местах соединения концов входной плоской петли с плечами плоского симметричного вибратора нанесены соответственно первая и вторая дополнительные емкостные площадки, а на противоположной стороне третьей дополнительной диэлектрической пластины нанесена третья дополнительная емкостная площадка, размещенная напротив первой и второй дополнительных емкостных площадок.
В другом варианте на третьей диэлектрической пластине нанесены четвертая и пятая дополнительные емкостные площадки, подсоединенные к плечам плоского симметричного вибратора, а на противоположной стороне третьей диэлектрической пластины нанесены шестая и седьмая дополнительные емкостные площадки, расположенные соответственно напротив четвертой и пятой дополнительных емкостных площадок.
На четвертой диэлектрической пластине может быть размещен малошумящий усилитель, подсоединенный соответственно к концам выходной плоской петли.
Вся конструкция перестраиваемой малогабаритной высокотемпературной сверхпроводящей антенны размещена во фторопластовом стакане.
В заявленной конструкции перестройка антенны в широкой полосе частот осуществляется за счет использования в качестве элемента для настройки и перестройки частоты перестраиваемого высокодобротного сверхпроводящего (ВТСП) контура, образованного двумя диэлектрическими пластинами с нанесенными на их поверхности, обращенные друг к другу, плоскими спиральными проводниками, имеющими противоположное по отношению друг к другу направление закрутки, перестраиваемого за счет изменения взаимного положения диэлектрических пластин, а также за счет выполнения элементов связи ВТСП контура с симметричным вибратором и входом приемного устройства в виде индуктивных элементов - плоских петель. Подбор оптимальной связи и соответствующей частоты настройки ВТСП контура позволяет получить максимальный кпд на произвольной частоте настройки ВТСП контура, а использование дополнительных емкостных площадок позволяет увеличить кпд и изменить полосу настройки.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 приведена конструкция перестраиваемой малогабаритной высокотемпературной сверхпроводящей (ВТСП) антенны (с разнесенными диэлектрическими пластинами для наглядности); на фиг.2 - эквивалентная схема ВТСП короткого вибратора, индуктивно связанного с перестраиваемым ВТСП контуром; на фиг.3 - приведена конструкция первой диэлектрической пластины с вариантом включения дополнительных емкостных площадок; на фиг.4 - показано размещение выходного элемента связи с подключенным к нему малошумящим усилителем; на фиг.5 показано размещение конструкции антенны во фторопластовом стакане; на фиг.6, 7 приведены зависимости, представляющие характеристики антенны.
Перестраиваемая малогабаритная (ВТСП) антенна (фиг.1) содержит плоский симметричный вибратор с плечами 1 и 2, первую диэлектрическую пластину 3, вторую диэлектрическую пластину 4, установленную параллельно первой диэлектрической пластине 3, при этом на поверхности первой и второй диэлектрических пластин 3 и 4, обращенные одна к другой, нанесены плоские спиральные проводники 5, 6, имеющие противоположное по отношению друг к другу направление закрутки, и емкостные площадки 7, 8, соединенные соответственно с концами плоских спиральных проводников 5, 6, входной и выходной элементы связи, выполненные в форме плоских петель 9, 10. Концы входной плоской петли 9 соединены соответственно с плечами 1, 2 плоского симметричного вибратора. Плоский симметричный вибратор и входная плоская петля 9 нанесены на одну из поверхностей третьей диэлектрической пластины 11, размещенной над первой диэлектрической пластиной 3 параллельно ей, выходная плоская петля 10 нанесена на одну из поверхностей четвертой диэлектрической пластины 12, размещенной под второй диэлектрической пластиной 4 параллельно ей, при этом первая и вторая диэлектрические пластины 3, 4 установлены с возможностью изменения их взаимного положения. Третья диэлектрическая пластина 11 установлена с возможностью изменения положения относительно первой и второй диэлектрических пластин 3, 4. Четвертая диэлектрическая пластина 12 установлена с возможностью изменения положения относительно второй диэлектрической пластины 4. На третьей диэлектрической пластине 11 нанесены первая и вторая дополнительные емкостные площадки 13, 14, подсоединенные соответственно к плечам 1, 2 плоского симметричного вибратора, а на противоположной стороне третьей диэлектрической пластины 11 нанесены третья и четвертая дополнительные емкостные площадки 15, 16, расположенные соответственно напротив первой и второй дополнительных емкостных площадок 13, 14.
В другом варианте (фиг.3) на третьей диэлектрической пластине 11 нанесены пятая и шестая дополнительные емкостные площадки 17, 18, подсоединенные к плечам 1, 2 плоского симметричного вибратора, а на противоположной стороне третьей диэлектрической пластины 11 нанесена седьмая дополнительная емкостная площадка 19, расположенная напротив пятой и шестой дополнительных емкостных площадок 16, 17. Размеры емкостных площадок 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 выбираются из условия обеспечения требуемой емкости на входе плоского симметричного вибратора.
На четвертой диэлектрической пластине 12 размещен малошумящий усилитель 20, соединенный соответственно с концами выходной плоской петли 10 (фиг.4).
Емкостные площадки 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, выполнены также из ВТСП. Взаимное положение диэлектрических пластин 2, 3, 4 может изменяться путем изменения их углового положения за счет поворота в плоскости пластин и путем изменения расстояния между пластинами.
С целью уменьшения влияния пузырьков кипящего азота на частоту настройки и обеспечения конструктивной жесткости диэлектрические пластины с нанесенными на них элементами из высокотемпературного сверхпроводника размещены во фторопластовом стакане 21 (фиг.5), расположенном в радиопрозрачном сосуде Дьюара с жидким азотом (на чертеже не показан).
Перестраиваемая малогабаритная ВТСП антенна работает следующим образом.
23
Диэлектрические пластины 3, 4 с нанесенными на их поверхности, обращенные друг к другу, плоскими спиральными проводниками 5, 6, имеющими противоположное по отношению друг к другу направление закрутки, образуют перестраиваемый ВТСП контур. Конструктивное совмещение электрически малой ВТСП вибраторной антенны, индуктивно связанной с перестраиваемым ВТСП контуром с помощью плоской петли 9, по своим физическим свойствам представляет узкополосную антенну-фильтр (см. фиг.2). Эквивалентная схема включения вибратора и перестраиваемого контура показана на фиг.2. Рабочая полоса частот такого устройства может меняться в зависимости от выбираемого коэффициента связи плоской петли 10 с ВТПС контуром (выбором взаимоиндукции М). Частота настройки антенны-фильтра зависит от частоты настройки ВТСП контура и при изменении последней также меняется. Изменение частоты настройки ВТСП контура производится путем изменения расстояния между диэлектрическими пластинами 3, 4.
12
Для обеспечения изменения коэффициента связи между петлей связи ВТСП вибратора и ВТСП контуром (изменение величины взаимоиндукции M) вибратор вместе с плоской петлей 9 наносится на дополнительную диэлектрическую пластину 11, местоположение которой относительно пластины 4 может меняться. Изменение расстояния и вращение может обеспечиваться, например, за счет полой диэлектрической штанги 22, прикрепляемой к третьей диэлектрической пластине 11 с возможностью свободного перемещения по внешней поверхности диэлектрической штанги пластины 3 (на чертежах не показано).
Для уменьшения активных потерь в выходной петле связи и выходном кабеле выходная петля связи выполнена в виде плоской петли 10 из ВТСП на поверхности четвертой диэлектрической пластины 12 и нагружена на вход малошумящего усилителя 20, расположенного на этой же диэлектрической пластине 12. Выход малошумящего усилителя 20 - обычный коаксиал для диапазонов KB и УКВ.
23
Изменение выходной связи М производится с помощью изменения расстояния и угла поворота индуктивной плоской петли 10 относительно диэлектрической пластины 3. Коэффициент полезного действия (коэффициент передачи) ВТСП антенны-фильтра, рабочая полоса пропускания и диапазон перестройки зависит от физической длины 2 L плоского симметричного вибратора, ненагруженной добротности Qo ВТСП контура и выбора входных и выходных связей. На фиг.6 показана зависимость КПД входной цепи, состоящей из антенны, представляющей собой симметричный вибратор, выполненной из ВТСП материала, и высокодобротного ВТСП преселектора, имеющего собственную добротность Qo, от относительной длины вибратора на частоте 24.5МГц в момент максимума мощности, выделяемой в нагрузке, при этом входная связь выбрана максимальной.
В качестве иллюстрации эффективности использования ВТСП антенны на фиг.7 показана зависимость КПД входной цепи, состоящей из антенны, представляющей собой вибратор с длиной плеча lо=lм, выполненной из ВТСП материала, и высокодобротного ВТСП преселектора, имеющего собственную добротность
5
12
Qo=2*10. На этой же фигуре пунктиром показана зависимость полосы антенны-фильтра от эквивалентной емкости С1 на частоте 24.5 МГц в момент максимума мощности, выделяемой в нагрузке. Взаимоиндукция входной связи М=4.5 мкГн. Собственная емкость ВТСП антенны составляет 0.1 пФ.
собств
добав
собств
добав
Эквивалентная емкость состоит их собственной емкости С и добавочной емкости С (С1=С+С). Добавочная емкость образуется дополнительными емкостными площадками 13, 14, 15, 16 или 17, 18, 19.
добав
добав
Как видно из чертежа, при отсутствии С КПД входной цепи очень мал и составляет 0.01, а полоса антенны-фильтра - тысячные доли процента. При увеличении С КПД и полоса существенно возрастают.
При дальнейшем укорочении вибратора КПД (коэффициент передачи по мощности) ВТСП антенны-фильтра падает, а попытка увеличить его путем повышения ненагруженной добротности Qo ВТСП контура приводит к резкому уменьшению полосы частот антенны-фильтра. Теоретический анализ показывает, что увеличение входной емкости короткого вибратора путем подключения к входу вибратора дополнительной емкости приводит к существенному увеличению КПД антенны-фильтра и расширению ее полосы частот. Увеличение емкости на входе вибратора можно получить путем включения дополнительных емкостных площадок 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19.
Возможно увеличение емкости на входе вибратора также в топологии ВТСП вибратора, изображенного на фиг.3.
Для перемещения пластин 3 и 4 с целью изменения частоты настройки антенны можно использовать, например, пьезодвигатель, расположенный в жидком азоте, вал которого соединен с диэлектрической штангой одной из пластин.
Выполнение всех проводящих элементов: плоского симметричного вибратора с плечами 1, 2, входного и выходного элементов связи в виде плоских петель 9, 10, плоских спиральных проводников 5, 6 с емкостными площадками 7, 8 и дополнительных емкостных площадок 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 из высокотемпературного сверхпроводника и заявленная конструкция позволяют создать миниатюрную, эффективную антенну KB и УКВ диапазонов.