КОМБИНИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники и может использоваться в качестве антенной системы, в частности, в качестве комбинированной антенной системы, работающей на излучение или прием электромагнитных волн.
Известен корабельный пеленгатор Богомазова (см. заявку РФ на изобретение №92011409, М. кл. 00157/52, опубл. 20.11.1996 г.), в котором используется антенна с двумя смещенными облучателями в виде нижнего и верхнего дисков, которые скреплены на расстоянии по высоте 130 мм с помощью шести болтов. В прорези нижнего диска жестко закреплен оптический пеленгатор, а в центре верхнего диска имеется конусная втулка для оси вращения планки, на которой жестко закреплена антенна. Эта антенна создает двухлепестковую диаграмму направленности.
Однако данная антенна имеет низкую добротность, т.е. работает в широкой полосе частот, в силу чего неэффективно передает мощность. Кроме того она имеет большие габариты.
Известна антенна для приема электромагнитного излучения со спутников (см.патент США №2003011526, М. кл. H01Q 13/18, H01Q 13/10, H01Q 1/32, опубл. 16.01.2003 г.), включающая резонатор в виде цилиндрического стакана, имеющего электропроводящее основание (низ) и верхнюю часть, а также непроводящую секцию между электропроводящими боковой стенкой и верхней частью. Электропроводящее основание находится в контакте с электропроводящей боковой стенкой, которая расположена между основанием и заземленным внешним корпусом. Внутренний объем резонатора заполнен диэлектриком, в качестве которого может быть воздух. Антенна может принимать электромагнитную волну, имеющую круговую или вертикальную поляризацию в конусе с углом не менее 160°. В электропроводящей боковой стороне резонатора выполнено углубление, в крайней части которого расположен диэлектрик в виде пластины, параллельной основанию резонатора. На этой пластине установлена верхняя часть резонатора. Внутри резонатора посредине его объема, от основания до верхней части проходит коаксиальный проводник, к которому подключается усилитель, располагаемый вне резонатора. Расстояние между верхней частью
и основанием составляет не менее 0,05 длины электромагнитной волны и не более 0,5 длины волны.
Данная антенна, как и предыдущий аналог, также работает в широкой полосе частот, поскольку добротность резонатора недостаточна из-за того, что основной волной является волна ТЕМ. При этом диаграмма направленности обеспечивается в узкой полосе частот. Кроме того в данной антенной системе невозможно изменять диаграмму направленности.
Данная антенная система выбрана за прототип.
Техническим результатом полезной модели является обеспечение требуемого распределения электромагнитного поля определенной волновой моды как внутри, так и снаружи объемного резонатора с возможностью изменения диаграммы направленности.
ст
cт
ст
сф
сф
Данный технический результат обеспечивается в предлагаемой комбинированной антенной системе, содержащей объемный резонатор, имеющий элементы распределения электромагнитного поля по его внешней поверхности, источник электромагнитного поля, отличающейся, тем, что объемный резонатор выполнен в виде сферы, внутри которой находится полый металлический цилиндрический стержень, установленный между двумя противолежащими сторонами сферы, и располагаемый таким образом, что расстояние от него до ближайшей к нему боковой стенки резонатора Δ>5d, где d - диаметр стержня, при этом d=0,1r, где r - радиус сферы, внутренний объем резонатора заполнен диэлектриком, и имеются элементы связи, соединяющие внутренний объем и внешнюю поверхность сферы.
В качестве диэлектрического наполнителя внутреннего объема резонатора может быть использован воздух или сложный диэлектрик с с длиной волны,  где ε - электрическая проницаемость диэлектрика, λо - длина волны в воздухе.
При этом диэлектрический наполнитель может находиться в различных агрегатных состояниях.
Имеющиеся в антенной системе элементы связи могут быть выполнены в виде щели, или дифракционных отверстий, или петель, или обеспечиваться утончением части стенки сферы до величины скин-слоя.
Выполнение объемного резонатора в виде сферы позволяет использовать как внутренний, так и внешний ее объемы для создания требуемого распределения электромагнитного поля определенной волновой моды и ее перехода на внешнюю поверхность сферы, с которой электромагнитная волна излучается в пространство.
При этом внутренний стержень является как фильтром моды, так и элементом питания. Он может быть перемещен на изменяемое расстояние от ближайшей стенки резонатора в соответствии с выбранными соотношениями
в зависимости от требуемого распределения внешнего излучения (диаграммы направленности антенной системы).
Для выхода электромагнитной волны на внешнюю поверхность могут использоваться различные элементы связи, выбор которых обуславливается соображениями максимальной эффективности: минимальной добротности резонатора и максимума излучаемой на внешнюю поверхность мощности.
Конструкция предлагаемой комбинированной антенной системы поясняется фиг.1, 2, 3, 4.
ст
ст
сф
сф
Предлагаемая система (см. фиг.1) содержит объемный резонатор 1 в виде сферы, внутри которой между ее противолежащими сторонами установлен полый металлический стержень 2, таким образом, что он отстоит от ближайшей боковой стенки резонатора 1 на выбранное расстояние Δ<5d в зависимости от требуемого распределения внешнего излучения, при этом d=0,1r. В случае установки стержня 2 посредине сферы 1 (при необходимости создания определенной диаграммы направленности) его длина составит 2r. Внутри стержня 2 может находиться генератор СВЧ-колебаний. Внутри резонатора 1 находится диэлектрический наполнитель 3, в качестве которого может использоваться воздух или сложный диэлектрик в различных агрегатных состояниях. На фиг.1 также показаны элементы связи 4, выполненные в виде петель, выходящих из дифракционных отверстий, но в качестве таких элементов могут также использоваться щели (см. фиг.2), дифракционные отверстия (см. фиг.3). На фиг.4 показаны элементы связи 4, выполненные утончением части стенки сферы 1 до величины скин-слоя (показана область стенки сферы с толщиной Δh порядка скин-слоя).
Предлагаемая комбинированная антенная система работает следующим образом.
Элемент питания, например, генератор СВЧ-колебаний, установленный в металлическом стержне 2, расположенном внутри объемного резонатора (сферы) 1, обеспечивает генерирование тока, который протекая по стержню 2, превращается у одного из его полюсов в пучность напряжения. За счет контакта стержня 2 со стенками резонатора 1 обеспечиваются устойчивые колебания внутри сферы 1 с высокой добротностью, т.е. в узкой полосе частот. При этом стержень 2 накладывает граничные условия и делает невозможным протекание токов вне металлического стержня 2 (находящегося по центру сферы или смещенного внутри нее). За счет имеющихся элементов связи 4 поверхностный ток со стенок внутренней поверхности сферы 1 посредством тока смещения «выходит» на внешнюю сторону сферы 1, где растекается в соответствии с внешним импедансом сферы 1 и затем излучается в пространство. Диаграмма направленности данной антенной системы может корректироваться как за счет формы и количества элементов связи 4, так и за счет характеристик внутреннего колебания (частоты, амплитуды, моды).
Таким образом использование внутренней и внешней поверхностей объемного резонатора 1 в виде сферы позволяет эффективно использовать
энергию колебаний и переизлучать ее в открытое пространство, обеспечивая достижение указанного выше технического результата.