АПЕРИОДИЧЕСКАЯ АНТЕННА
APERIODIC ANTENNA

Изобретение относится к апериодическим антеннам повышенной эффективности.
Известна ромбическая антенна по схеме Неймана [1], содержащая два ромба одинаковых размеров, размещенных один под другим на общих опорах (см. фиг. 1). Повышение коэффициента полезного действия (КПД) в известной антенне производится за счет повторного использования мощности, подводимой к оконечной нагрузке: а именно подключение вместо оконечной нагрузки второго излучающего элемента. При этом та доля энергии, которая у одиночной апериодической антенны поглощается оконечным сопротивлением, подается во вторичный антенный элемент и излучается.
Недостатком известного способа является следующее:
а) усложненная конструкция из-за введения возвратной (обратной) фидерной линии (см. фиг. 1, 2);
б) антенная система ограничена сверху по подводимой мощности номинальной мощностью, которую может рассеять резистор R (см. фиг. 1), поскольку часть мощности, доведенная до конца вторичного излучателя, рассеивается в оконечной нагрузке, а, следовательно, при построении передающих систем согласно известного способа требуется обеспечение отведение тепловых потерь от оконечной нагрузки, что также усложняет конструкцию;
в) сниженная эффективность вследствие полного поглощения в оконечном резисторе R доведенной до него мощности.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является апериодическая антенна [2] (далее АА), состоящая из излучателя, расположенного над подстилающей поверхностью. Режим бегущей волны в известном устройстве организован за счет введения оконечной нагрузки R (номинал ее выбирают близким волновому сопротивлению W1) см. фиг. 2.
Недостатком устройства - прототипа является сниженная эффективность в диапазоне частот, где размер излучающей части не превышает длину волны, за счет поглощения мощности в оконечной нагрузке R. Также недостатком устройства прототипа является ограниченность верхнего предела подводимой мощности номинальной мощностью, которую может рассеять оконечная резистивная нагрузка R.
Задача изобретения:
1. повышение эффективности низкорасположенных полноразмерных апериодических антенн при сохранении установочного (габаритного) размера и простоты конструкции;
2. увеличение верхнего предела подводимой к антенной системе мощности;
3. корректирование диаграммы направленности антенной системы, обеспечивающее излучение под высокими (зенитными, близкими к 90°) углами возвышения.
Поставленная задача достигается тем, что в апериодической антенне, содержащей излучатель и согласующий элемент, согласно изобретению, согласующий элемент выполнен в виде приземного стелющегося антенного элемента.
На фиг. 1 представлена апериодическая симметричная антенна, выполненная согласно методу Неймана: 1 - клеммы питания (вводы антенные - место подключения излучателей к фидерному тракту или согласующему устройству). 2 - первичный излучатель апериодической антенны, на конце противоположном вводу антенному (точке 1) которого вместо резистивной нагрузки R включена возвратная (обратная) фидерная линия 4, доводящая мощность, которая должна была бы рассеяться в оконечной нагрузке, до вторичного излучателя 3.
На фиг. 2 представлена иллюстрация сравнения методов замещения оконечных нагрузок R для несимметричной антенной системы: снизу - приземной несимметричной антенной (вторичным излучателем W2), сверху - при построении по методу Неймана, а именно введение в конструкцию возвратной (обратной) фидерной линии (ОФ), доводящей мощность от конца первичного излучателя W1 ко вторичному в данном методе W11.
В конструкциях, выполненных по обоим методам, введен обратный провод (ОП), обеспечивающий эффективную работу антенны в местах, где заземление затруднено.
На фиг. 3 представлена иллюстрация метода замещения оконечных нагрузок R приземными стелющимися несимметричными антеннами W2 (2 штуки) для симметричной антенной системы (включающей УСС - устройство согласующее и симметрирующее, и излучатели W1 - две штуки).
На фиг. 4 представлены способы построения антенны с оконечными нагрузками на примере антенны VH 60/12:
1) с оконечными нагрузками в виде резистивных элементов R;
2) с оконечными нагрузками в виде несимметричных однопроводных приземных антенн W1 и W2;
3) с оконечными нагрузками в виде симметричных приземных дипольных антенн (комбинированный излучатель);
4) с оконечной нагрузкой в виде симметричной приземной дипольной антенны W (электрический излучатель).
На фиг. 5 представлены расчетные значения коэффициентов усиления антенн типа VH 60/12 при выполнении оконечных нагрузок в виде: симметричной приземной антенны (рис. 3.), в виде резистивных элементов (рис. 1.), в виде двух противофазно включенных симметричных приземных антенн (рис. 4.)
На Фиг. 6 представлены сравнительные формы диаграмм направленности антенн с оконечными резистивными нагрузками (пунктирная линия) и с замещением их, приземными стелющимися антеннами (сплошная линия).
Электродинамический анализ энергетических характеристик
низкорасположенных апериодических антенн, у которых в качестве оконечных нагрузок включены как резистивные нагрузки, так и приземные антенные элементы, был проведен в диапазоне частот от 1,5 до 10 МГц, поскольку снижение эффективности апериодической антенны с оконечными нагрузками в значительной степени наблюдается лишь в диапазоне низких частот.
Результаты электродинамического анализа антенны VH 60/12 (60 метров - длина излучателя, 12 метров - высота мачтового устройства) проводились со следующими вариантами исполнения оконечной нагрузки:
а) оконечная нагрузка в виде резистивных элементов R, введенными между нижними концами излучателей антенны VH 60/12 и противовесами из восьми проводов, длиной по 10 метров, равномерно радиально размещенными на подстилающей поверхности.
б) оконечная нагрузка в виде несимметричных однопроводных приземных антенн W1 и W2 выполненных в виде архимедовой спирали с радиусом 10 метров (число витков - 4, шаг спирали - 2 метра), приземные антенны подключены одним концом излучающего провода к нижнему концу излучателя антенны VH 60/12, вторые концы свободны.
в) оконечная нагрузка в виде симметричных приземных дипольных антенн. Длина плеча каждого из диполей 9 метров, ширина 14 метров. Совместно с устройством согласующим симметрирующим (УСС) симметричная приземная дипольная антенна образует комбинированный излучатель.
г) оконечная нагрузка в виде симметричной приземной дипольной антенны W. Каждое плечо антенны W выполнено в виде равнобедренного треугольника, вершина которого расположена на продольной оси антенны VH 60/12. Длина плеча каждого из диполей составляет 9 метров, ширина 14 метров.
Типы, конструкции и габаритные размеры приземных антенн были выбраны для обеспечения приближенного равенства их входных сопротивлений и волнового сопротивления излучателя антенны VH 60/12 (близкого к 450 Ом) в диапазоне от 1,5 до 10 МГц. Номинал резистивных оконечных нагрузок был выбран равным 450 Ом. Входное сопротивление несимметричной однопроводной приземной антенны близко к значению 400 Ом. Входное сопротивление каждого плеча электрического приземного диполя близко к 500 Ом, а для комбинированной приземной дипольной антенны составляет величину порядка 400 Ом.
На рис. 6-8 приведены расчетные диаграммы направленности (далее ДН) в угломестной плоскости в азимутальном направлении максимума главного лепестка ДН VH 60/12 с резистивными оконечными нагрузками и с их замещением приземной симметричной антенной. Ниже приведен анализ результатов моделирования.
Выполнение согласующего элемента (являющегося вторичным антенным элементом, замещающим оконечную нагрузку и вторично излучающим ту долю мощности, которая поглощалась бы в оконечной нагрузке) в виде приземной антенны, не выступающей за общие габариты первичного излучателя, позволяет:
1. Повысить эффективность антенной системы (за счет вторичного излучения приземного антенного элемента) (см. фиг. 5);
2. Увеличить верхний предел подводимой мощности, который определен лишь напряжением пробоя изоляторов и толщиной (или количеством) токоведущих проводников (обеспечивающей должную токовую нагрузку) в антенной системе
3. Скорректировать форму диаграммы направленности у протяженных апериодических антенн за счет излучения вторичного приземного антенного элемента. Например, обеспечить более эффективное излучение под высокими углами на низких частотах (где размер излучателя не превышает длины волны), что способствует более эффективному ионосферному распространению на коротких радиотрассах (см. фиг. 6).
Источники информации
1. Надененко С.И. «Антенны» - М.: Государственное издание литературы по вопросам связи и радио, 1959 г. - 554 с.
2. Патент №4511898, H01Q 11/06, опубликован 16.04.1985 г.