ЩЕЛЕВАЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ АНТЕННА
CYLINDRICAL SLIT ANTENNA

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 [US patent 2625654, A. Alford], 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 [A. Alford, Long Slot Antennas. Proc. of the National Electronics Conference, Chicago, IL October 3-5, 1946].
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 [Kraus J.D. Antennas - 1988, TATA McGRAW-HILL Edition, New Delhi, pp. 642-644], 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.
Рекомендуемые размеры антенны: диаметр цилиндра равен 0,125λ, длина щели 0,75λ, ширина щели 0,02λ.
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 Ε 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 Ε 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.
Решение этих и других задач поясняется далее текстом и фигурами.
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,
3 - щель,
4 - первая кромка щели,
5 - вторая кромка щели,
6 - фидер,
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
00
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 щелевой линии на цилиндрическом волноводе [Alexander I. Nosich, Alexander Ye. Svezhentsev Principal and Higher Order Modes of Microstrip and Slot Lines on a Cylindrical Substrate. //Electromagnetics. Volume 13, Issue 1, 1993, pages 85-94]. 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.
00
Предпочтительно выбирать диаметр трубы равным 0,14 длины волны в свободном пространстве. Длину щели целесообразно выбрать близкой к половине длины волны основной волны H 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.
1
2
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, 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, 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.
3
Два последовательно включенных конденсатора 15 и 16 имеют эквивалентную емкость С:
<mrow><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mtext>            (1)</mtext></mrow>
вх
3
Входное сопротивление на клеммах 19, 20 Z, обусловленное последовательным включением эквивалентной емкости С и цепочки из параллельно включенных сопротивления R и индуктивности L, на частоте ω равно:
<mrow><msub><mi>Z</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>i</mi><mi>ω</mi><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>i</mi><mi>ω</mi><mi>L</mi><mi>R</mi></mrow><mrow><mi>R</mi><mo>+</mo><mi>i</mi><mi>ω</mi><mi>L</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo>−</mo><mi>i</mi></mrow><mrow><mi>ω</mi><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>i</mi><mi>ω</mi><mi>L</mi><mi>R</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>R</mi><mo>−</mo><mi>i</mi><mi>ω</mi><mi>L</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mi>L</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mi>ω</mi><mn>3</mn></msup><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub><msup><mi>L</mi><mn>2</mn></msup><mi>R</mi><mo>+</mo><mi>i</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>ω</mi><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub><mi>ω</mi><mi>L</mi><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mi>L</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mi>ω</mi><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mi>L</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac><mtext>           (2)</mtext></mrow>
На резонансной частоте мнимая часть входного сопротивления равна нулю, т.е.
<mrow><msubsup><mi>ω</mi><mrow><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>з</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub><mi>L</mi><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>з</mi></mrow></msub><mi>L</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mtext>            (3)</mtext></mrow>
вх
Сделав в (2) замену в знаменателе множителя в квадратных скобках на его значение из (3), получим величину Ζ на резонансной частоте:
<mrow><msub><mi>Z</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>ω</mi><mrow><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>з</mi></mrow><mn>3</mn></msubsup><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub><msup><mi>L</mi><mn>2</mn></msup><mi>R</mi></mrow><mrow><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>з</mi></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub><msubsup><mi>ω</mi><mrow><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>з</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><msub><mi>С</mi><mn>3</mn></msub><mi>L</mi><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mfrac><mi>L</mi><mrow><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mi>R</mi></mfrac><mtext>          (4)</mtext></mrow>
3
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.
1
3
2
2
2
В предельном случае, когда отсутствует согласующий цилиндр (C→∞), эквивалентная емкость С равна емкости С - емкости согласующего отрезка кабеля. Обычно для согласования антенны с фидером требуется иметь небольшое значение величины С. 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. 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.
1
2
1
2
Совсем другая ситуация, когда имеем дело с двумя последовательно включенными емкостями: емкостью C и емкостью C. Известно, что последовательным включением двух конденсаторов получаем эквивалентный конденсатор с емкостью меньше, чем емкости каждого конденсатора в отдельности. Теперь при фиксированном значении С, изменяя емкость C 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.
Примеры
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.
2
3
Действительно, приращение DС эквивалентной емкости С можно найти из соотношения:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><mi>d</mi><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mi>Δ</mi><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>d</mi><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mi>Δ</mi><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mi>Δ</mi><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>C</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mi>Δ</mi><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mi>Δ</mi><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub><mtext>    (5)</mtext></mrow>
1
2
Из этого соотношения следует: чем меньше емкость согласующего цилиндра С (чем меньше длина согласующего цилиндра), тем меньше изменяется эквивалентная емкость при одних и тех же приращениях емкости С (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.