РАДИОАНТЕННА

Предлагаемая полезная модель относится к области электрорадиотехники, в частности к радиоантеннам, служащим для излучения и приема электромагнитных волн.
о
о
Эффективность радиоантенны определяется, в частности, ее электрическим моментом, т.е. произведением силы тока I и эффективной длины l. Электрический момент антенн уменьшается, когда их размер становится значительно меньше используемой длины радиоволны λ. В зависимости от типа антенны это ухудшение свойств происходит не только из-за уменьшения эффективной длины, но и по причине трудности обеспечения согласования, т.е. достижения необходимой величины тока.
o
Существуют антенны - электрические вибраторы, выполненные в форме штырей, проводов (см. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. М., «Энергия», 1975. 528 с.). В таких антеннах ток замыкается через электрическую емкость между плечами вибратора, реактанс которой относительно велик. Подобные антенны неэффективны на низких частотах. Для согласования этих антенн требуются катушки индуктивности, которые при λ>100 м становятся громоздкими и дорогостоящими.
В рамочных антеннах (см. там же), имеющих небольшое входное сопротивление на низких частотах, согласование обеспечить гораздо проще. Однако рамочная антенна имеет малую эффективную длину, обусловленную встречным направлением тока в противоположных сторонах (элементах) рамки.
Наиболее близким по назначению, технической сущности и положительному эффекту к заявляемому устройству является излучатель медленноменяющихся электромагнитных волн (Harmuth H.F. US Patent 5307081, 1994), в котором проблема рамочных антенн частично решена
путем исключения излучения от одной из сторон рамки. Для этого одна сторона прямоугольной рамки размещена в поглощающей оболочке, выполненной, например, из чередующихся слоев бумаги и магнитомягкого материала. Кроме того, стороны, перпендикулярные к покрытой оболочкой стороне рамки, имеют меньшую длину. В результате указанная рамочная антенна излучает практически как один штырь с равномерным распределением тока, величина которого может значительно превышать силу тока в вибраторе такого же размера.
Недостатком прототипа является недостаточно высокое значение электрического момента из-за практически полного исключения излучения (приема) одной стороны рамки и неэффективное использование двух других сторон антенны. Другим недостатком является нагрев материала оболочки в результате поглощения электромагнитной энергии. Низкочастотные передающие антенны характеризуются мощностью в сотни и тысячи киловатт, большая часть которой без опасных последствий рассеивается в очень большом объеме земных пород. Поглощение практически половины мощности в значительно меньшем объеме оболочки может приводить к новым проблемам, например, связанным с изменением электромеханических параметров оболочки и необходимостью ее охлаждения. К тому же в прототипе нет четких рекомендаций по расчету толщины оболочки и выбору значений ее электрических и магнитных параметров. Разумеется, недостаток, связанный с нагревом оболочки, относится к мощным передающим антеннам низких частот, на совершенствование которых в первую очередь и направлен прототип.
Целью полезной модели - является увеличение электрического момента рамочной антенны.
Указанная цель достигается тем, что в радиоантенне, содержащей, по меньшей мере, один проводящий виток в форме параллелограмма и оболочку, окружающую, по меньшей мере, одну сторону антенны, электрическая толщина оболочки составляет π радиан, материалом оболочки
является радиопрозрачная замедляющая среда, а пучок проводящих витков и оболочка являются коаксиальными круговыми цилиндрами.
Кроме того, оболочкой покрыты две соседние стороны антенны, при этом наибольшая из длин оболочек превышает диаметр оболочки не менее чем в 5 раз.
Для устранения недостатков прототипа необходимо выровнять фазу электромагнитных волн, излучаемых противоположными элементами рамочной антенны. Это можно сделать путем использования сред, в которых волны распространяются с фазовой скоростью значительно меньшей их скорости распространения в воздухе. Выполнение оболочки, окружающей пучок витков рамки, из такого материала и выбор электрической толщины оболочки, равной π радиан, позволяют изменить фазу волны на 180 градусов. При использовании такого фазоинвертора, напряженности полей, создаваемые противоположными сторонами рамки, складываются, что соответствует удвоению электрического момента рамки за счет увеличения эффективной длины (высоты) антенны. Увеличение момента рамки в два раза соответствует повышению мощности излучения в четыре раза. Если же покрыть оболочкой две смежные стороны рамки, общая мощность излучения еще больше увеличится.
Конечно, в противоположность прототипу необходимо обеспечить минимальные потери в оболочке, поэтому материал оболочки должен быть радиопрозрачным. Определенную роль играет равномерность толщины оболочки. Поэтому целесообразно витки рамочной антенны внутри оболочки уложить в пучок, близкий по форме к круглому цилиндрическому стержню, и оболочку также сделать в форме прямого кругового цилиндра, совместив оси указанных цилиндров. Другими словами, проводящие витки и оболочка являются коаксиальными круговыми цилиндрами. В одном из углов рамки оболочки могут находиться на небольшом расстоянии друг от друга, например меньшем диаметра оболочки. Чтобы уменьшить влияние оболочки, имеющей меньшую длину, диаметр оболочки должен быть меньше не менее
чем в 5 раз длины другой оболочки. При этом торцевая часть оболочки будет перекрывать небольшую, максимум десятую часть, длины соседней оболочки.
о
1
Устройство радиоантенны поясняется фиг.1 - фиг.3. Приведенное на фиг.1 устройство содержит: 1 - токоведущие витки; 2 - оболочка из среды, замедляющей электромагнитные волны; 3 - передатчик (приемник); l, l - длины смежных оболочек.
об
На фиг.2 изображено поперечное сечение антенны, где 1 -токоведущие витки, 2 - оболочка из среды, замедляющей электромагнитные волны; 3 - изоляционное покрытие проводника, R - эффективный радиус поперечного сечения пучка проводящих витков; R - радиус оболочки.
o
1/2
На фиг.3 представлена зависимость полуволновой (первого порядка) толщины оболочки d от частоты f при различных значениях эффективного показателя преломления n оболочки. Если эффективная относительная диэлектрическая проницаемость оболочки ε, то показатель преломления n=ε.
o
о
o
Коэффициент прохождения волны T зависит от толщины оболочки, тангенса диэлектрических потерь tg, показателя преломления, угла падения и поляризации (И.Г.Гуртовник, В.И.Соколов, Н.Н.Трофимов, С.И.Шалгунов. Радиопрозрачные изделия из стеклопластиков. - М.: Мир, 2002. -368 с.). Пусть d=λ/2 соответствует частота f. Можно показать, что для n≫1 и tg≤0,0002 коэффициент прохождения волны T зависит только от n,d,f и хорошо описывается формулами
E
o
o
E
где d - электрическая толщина оболочки, а в качестве х можно использовать отношения f/f и d/d. Видно, что при d кратном π, оболочка является прозрачной и изменяет фазу волны на 180 град. Кратность называют также
o
o
номером порядка. Первый порядок соответствует наименьшей толщине оболочки, поэтому его и будем использовать. Используя значение коэффициента прохождения на уровне 1/2=0,707, получим для полосы частот f±ΔF/2 и предела отклонения диаметра оболочки d±Δd следующие формулы
Необходимо заметить, что полоса частот ΔF относится только к излучающему элементу с оболочкой. Для всей антенны полоса будет несколько шире.
о
о
o
o
Пример 1. Средневолновая антенна, имеющая единственную оболочку с l=5 м работает на частоте f=1000 кГц (λ=300 м) (фиг.1-фиг.3). Полуволновая толщина оболочки d, полоса и пределы отклонения толщины оболочки от do приведены в таблице
Показатель преломления n
d<sub>o</sub>, м
ΔF, Гц
Δd=R<sub>oб</sub>-R, мм
31,6
4,7
25913
61
100
1,5
8194
6,1
316
0,47
2591
0,61
1000
0,15
819
0,061
Значение Δd определяет качество изготовления оболочки. Также важными параметрами являются рабочая полоса и объем антенны. Рабочая полоса определяет качество и скорость передачи, а от объема антенны зависит стоимость антенны. По этим причинам разумно выбрать n=100÷200.
o
о
о
o
2
Медный провод, например, с диаметром 6 мм имеет допустимую длительную токовую нагрузку в I≈200 А (Алиев И.И., Казанский С.Б. Кабельные изделия. Справочник. - М.: ИП РадиоСофт, 2002 - 224 с.). Электрический момент антенны составит М=2 lI и мощность излучения, оцененная по формуле Р=160(πm/λ), будет равна 63 Вт. Антенна - прототип при этих параметрах будет излучать 16 Вт. В этих оценках считаем, что излучение от сторон антенны, не покрытых оболочкой, полностью компенсируется.
Индуктивность антенны с фазоинвертором будет значительно меньше индуктивности рамки, не содержащей покрытия.
о
о
о
o
Пример 2. Антенна сверхдлинных волн, имеющая единственную оболочку с l=30 м работает на частоте f=30 кГц (λ=10000 м) (фиг.1-фиг.3). Полуволновая толщина оболочки, полоса частот и пределы отклонения толщины от d приведены в таблице
Показатель преломления n
d<sub>o</sub>, м
ΔF, Гц
Δd=R<sub>об</sub>-R, мм
31,6
158,1
25913
2048
100
50
8194
204
316
15,8
2591
20,5
1000
5
819
2
o
o
o
Следует выбрать n=250÷350. Медный провод, например, с диаметром 20,5 мм имеет допустимую длительную токовую нагрузку в I 1000 А (там же). Электрический момент антенны составит М=2lI и мощность излучения, будет равна 57 кВт. Антенна - прототип при этих параметрах будет излучать 14 кВт.
По разным причинам, например, в результате каких либо воздействий коэффициент прохождения электромагнитной энергии может уменьшиться. Однако если фаза волны будет задерживаться приблизительно на 180 град, то предлагаемая радиоантенна будет оставаться эффективнее прототипа.
Чтобы устранить или существенно снизить дополнительные тепловые потери за счет скин-эффекта, проводники антенны необходимо делать многожильными (Русин Ю.С., Гликман И.Я., Горский А.Н. Электромагнитные элементы радиоэлектронной аппаратуры.).
4
5
2
5
-6
-1
Приведенные примеры показывают, что осуществимость предлагаемой радиоантенны определяется возможностью изготовления оболочки с показателем преломления в пределах 100÷350, что соответствует относительной диэлектрической проницаемости 10÷10. Известно, что искусственные диэлектрики могут иметь такие значения ε. Например, в ленточных замедляющих структурах диэлектрическая проницаемость определяется по формуле ε=(a/2b), где а - ширина проводящей ленты, b-расстояние между лентами (Щелкунов С., Фриис Г. Антенны. Теория и практика. М.: Сов. радио, 1955, 603 с.). Например, при а=10 мм, b=15 мкм ε≈10. Зазор между лентами можно заполнить диэлектриком, например полистиролом, имеющем tg≤0,0002 (Русин Ю.С., Гликман И.Я., Горский А.Н. Электромагнитные элементы радиоэлектронной аппаратуры.) - М.: Радио и связь. 1991. - 224 с.). Расстояние между краями лент, лежащих в одной плоскости, может быть приблизительно равно 1 мм. Необходимо оценить также тепловое расширение оболочки. Коэффициенты теплового расширения полистирола и меди приблизительно равны 10 град, поэтому при разности температур 20 град и толщине оболочки 15 м, получим приращение 0,3 мм. Так что этим эффектом можно пренебречь.
Оболочку можно сделать многослойной со слоями, имеющими разные значения эффективной диэлектрической проницаемости. При этом внешний слой оболочки должен быть просветляющим. Однако суммарная электрическая толщина оболочки должна быть равна π радиан.
Технологии создания структур с расстояниями между проводящими элементами приблизительно равными 10 мкм уже давно освоены. Происходит бурное развитие нанотехнологий, получены первые результаты по созданию метаматериалов, состоящих из сложных микроскопических элементов. Эти направления позволят создавать искусственные диэлектрики с эффективным показателем преломления большем 1000.
Искусственным диэлектриком с большой ε на низких частотах является также замагниченная плазма (Гинзбург В.Л., Рухадзе А.А. Волны в магнитоактивной плазме. М.: Наука, 1975, 208 с.).
С учетом достигнутого уровня технологий создания и обработки материалов возможность осуществления полезной модели не вызывает сомнения.