АНТЕННА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ
TRAVELLING WAVE ANTENNA

Изобретение относится к антенно-фидерной технике и может быть использовано для приема радиосигналов в коротковолновом диапазоне частот.
Известны синфазные горизонтальные коротковолновые антенны, содержащие решетку вибраторов, расположенных определенным образом в пространстве и возбуждаемых токами, равными между собой либо закономерно отличающимися по амплитуде и фазе [Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны, ч.II. «Антенны». М.: Сов. радио, 1969, с.133-154]. Такие антенны отличаются узким рабочим диапазоном, определяемым резонансными свойствами отдельных вибраторов. При отклонении частоты от резонансной происходит изменение электрических длин вибраторов и питающих их фидерных линий, что резко искажает диаграмму направленности антенны.
A
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является антенна бегущей волны, состоящая из двухпроводной собирательной линии, которая в начале соединяется с входом приемника, а в конце замкнута на активное сопротивление, равное волновому сопротивлению собирательной линии, и симметричных вибраторов, подключенных к двухпроводной собирательной линии на равном расстоянии через активные развязывающие сопротивления [Коротковолновые антенны. / Под ред. Г.З.Айзенберга. М.: Радио и связь, 1985, с.312-344]. Недостатком такой антенны является ее большая длина l~(6…7)λ, где λ - самая короткая длина волны рабочего диапазона антенны.
A
Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание антенны с длиной l не превышающей 5λ, с сохранением диапазона принимаемых длин волн, достигаемого полноразмерной антенной.
Решение технической задачи достигается тем, что антенна бегущей волны состоит из двухпроводной собирательной линии, которая в начале соединяется с входом приемника, а в конце замкнута на активное сопротивление, равное волновому сопротивлению собирательной линии, и не менее чем двух пар симметричных четвертьволновых вибраторов, подключенных к двухпроводной собирательной линии на равном расстоянии через активные развязывающие сопротивления. Согласно предложенному изобретению двухпроводная собирательная линия выполнена в виде соединенных последовательно идентичных резонансных отрезков замедляющих систем, обладающих аномальной дисперсией, и длиной, не превышающей λ/8, где λ - самая короткая длина волны рабочего диапазона антенны.
A
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении всей совокупности заявляемых существенных признаков, является сохранение диапазона принимаемых длин волн, обеспечиваемого полноразмерной антенной, при длине антенны l, не превышающей 5λ.
Предлагаемая антенна бегущей волны иллюстрируется чертежами, на которых представлены принципиальная схема антенны бегущей волны (фиг.1) и отрезок коаксиальной фидерной линии с аномальной дисперсией на основе цилиндрической спирали с продольно-проводящим экраном (фиг.2). На фиг.3 представлены диаграммы направленности антенны, полученные с помощью программы MMANA-GAL v1.2.
Работа антенны бегущей волны осуществляется следующим образом.
св
П
Приходящая к антенне электромагнитная волна наводит в вибраторах ЭДС, которые через активные развязывающие сопротивления Z подаются на двухпроводную собирательную линию (фиг.1). Фазовые сдвиги между ЭДС, возбуждаемыми между соседними вибраторами, зависят от направления прихода волны. Каждая из ЭДС возбуждает две волны тока в линии, распространяющиеся в противоположных направлениях. Одна из них, обозначенная 1, распространяется в сторону приемника, а вторая 2 - в сторону поглощающего сопротивления R. Волны, распространяющиеся в сторону согласованного с антенной приемника или фидера, ведущего к приемнику, также поглощаются во входном сопротивлении приемника, т.е. создают на его входе полезное напряжение.
Расстояние между проводами собирательной линии значительно меньше длины волны. В связи с этим ЭДС, индуцируемые в симметричных сечениях линии, равны по величине и по фазе, и так как они направлены навстречу друг другу, то линия не участвует в создании ЭДС на входе приемника. Роль собирательной линии заключается лишь в том, чтобы подвести ЭДС от всех вибраторов к приемнику.
Волны ЭДС и тока распространяются в собирательной линии с фазовой скоростью, меньшей скорости света. Причина этого заключается в том, что длина каждого вибратора не превышает четверти длины волны и в его входном сопротивлении содержится составляющая емкостного характера, за счет которой возрастает погонная емкость собирательной линии и уменьшается фазовая скорость в ней по сравнению со скоростью света.
Возможность достижения поставленной цели подтверждается результатами анализа и численного моделирования с помощью программы MMANA-GAL v1.2.
Использование в конструкции собирательной линии антенны отрезков замедляющих систем позволяет существенно сократить ее геометрические размеры при неизменных электрических параметрах.
Электрическая длина каждого из отрезков собирательной линии определяется по формуле
ф
где l - расстояние между соседними вибраторами антенны, f - рабочая частота, ν - фазовая скорость волны в собирательной линии.
Из формулы (1) следует, что в случае расширения полосы принимаемых антенной частот Δf для сохранения прежней электрической длины собирательной линии фазовую скорость волны в ней также требуется увеличивать, то есть использовать отрезки фидерной линии с аномальной дисперсией. Применение стандартных отрезков линий передачи не позволяет этого сделать, поскольку, например, отрезок коаксиальной линии не обладает дисперсией, а отрезок замедляющей системы в виде цилиндрической спирали в изотропном металлическом экране имеет нормальную положительную дисперсию, при которой фазовая скорость волны падает с ростом частоты.
Пример конструкции коаксиальной фидерной линии с аномальной дисперсией предложен в работе Патент РФ №2339128, МПК H01P 5/02, H01P 3/08 / А.А.Елизаров, В.Н.Каравашкина, М.Д.Морозовская. Опубл. в БИ №32, 20.11.2008. Волна в такой линии возбуждается между внутренним цилиндрическим спиральным проводником 1 и внешним проводником 2, выполненным в виде симметрично расположенных по образующим цилиндра секторов 3, чередующихся со сквозными щелями 4 (фиг.2).
A
Результаты моделирования в виде диаграмм направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях, полученные с помощью программы MMANA-GAL v1.2 для 20-элементной антенны длиной 42 м в диапазоне частот 4,05-24,05 МГц, представлены на фиг.3. Расчетный коэффициент замедления собирательной линии не более 1,5. Анализ полученных диаграмм показывает наличие лепестка направленного приема антенны в середине полосы на частоте 14,05 МГц, а также снижение ее направленных свойств на краях рабочего диапазона. Диаграмма направленности антенны бегущей волны сохраняет свою форму при коэффициентах замедления, не превышающих 2,0…2,5, что позволяет практически вдвое уменьшить ее геометрическую длину при остающихся неизменными электрических параметрах. Однако необходимо учесть, что сильное уменьшение геометрической длины антенны способствует расширению главного лепестка диаграммы направленности. Поэтому лучшие результаты достигаются в случае длины антенны l≤5λ. Оптимальный коэффициент замедления при этом составляет
ф
что соответствует оптимальной фазовой скорости волны в собирательной линии ν=0,9 с.
A
Таким образом, выполняя собирательную линию из соединенных последовательно идентичных резонансных отрезков замедляющих систем, обладающих аномальной дисперсией и длиной, не превышающей λ/8, где λ - самая короткая длина волны рабочего диапазона антенны, получим возможность создания антенны с длиной l, не превышающей 5λ, с сохранением диапазона принимаемых длин волн, достигаемого полноразмерной антенной.