Вібраторна антена для випромінювання надширокосмугового несинусоідального сигналу

Изобретение относится к области радиотехники, в частности антенной техники, и может быть использовано для излучения сигналов в радиолокаторах и других наземных радиотехнических системах, использующих сверхширокополосные несинусоидальные сигналы. В качестве прототипа выбрана вибраторная антенна, в которой один из вибраторов экранирован плоским металлическим экраном и экраном, выполненным из поглощающего радиоволны материала. Излучающий вибратор антенны установлен параллельно плоскости металлического экрана на небольшом расстоянии от него. Длина вибратора такой антенны значительно меньше произведения скорости света на длительность фронта импульса генератора тока, питающего антенну. Такая антенна облучает одну полусферу пространства, а излучение в другой полусфере экранировано двумя экранами и практически отсутствует. Максимум излучения антенны-прототипа направлен по нормали к плоскости металлического экрана в полусферу, не экранированную экранами. Запитка излучающего вибратора антенны осуществлена с двух концов с помощью проводников, связывающих вибратор с генератором тока. Недостатком антенны-прототипа является то, что она имеет низкую направленность и малый коэффициент направленного действия. Другой недостаток состоит в том, что радиоволны, отраженные от плоскости металлического экрана в незатененную полусферу, частично подавляют поле радиоволн излучающего вибратора. Третий недостаток прототипа состоит в следующем. При использовании антенныпрототипа на приземной трассе (например, в наземном радиолокаторе) излучающий вибратор антенны устанавливают перпендикулярно направлению трассы. В этом случае значительная часть излучаемой энергии будет попадать на поверхность земли. Это приводит к появлению интенсивных обратных помеховых отражений радиоволн от земли, которые затрудняют работу радиолокатора. Кроме того, импульсы отраженных от земли в зеркальном направлении радиоволн будут иметь противоположную полярность по сравнению с импульсами прямой волны на основании известного принципа изменения полярности. В результате этого в секторе малых углов места и на сравнительно больших дальностях, когда импульсы этих волн будут накладываться друг на друга, результирующее поле радиоволн будет значительно ослаблено. Это также затрудняет работу радиолокатора в секторе малых углов места. В основу изобретения поставлена задача устранения или ослабления отмеченных недостатков прототипа. Решение этой задачи достигается благодаря тому, что в вибраторной антенне для излучения сверхширокополосного несинусоидального сигнала, содержащей проволочный вибратор, концы которого соединены проводниками с импульсным генератором тока, плоский металлический экран и экран из поглощающего радиоволны материала, согласно изобретению, проволочный вибратор установлен горизонтально над поверхностью земли по направлению приземной трассы распространения радиоволн, длина вибратора значительно больше произведения скорости света с на длительность фронта импульса генератора тока, плоский металлический экран установлен позади вибратора перпендикулярно к его оси, экран из поглощающего материала выполнен в виде желоба и установлен под вибратором, проводники, соединяющие концы вибратора с импульсным генератором тока, выполнены из коаксиального кабеля, при этом длина кабеля от генератора до дальнего конца вибратора по направлению трассы короче, чем у кабеля до ближнего конца, на величину где - расстояние от вибратора до металлического экрана. Наружные металлические оболочки коаксиальных кабелей заземлены, служат для экранирования излучения проводников, связывающих вибратор с импульсным генератором тока, и не используются как токонесущие конструкции. Металлический экран выполнен из тонкого плоского металлического листа круглой или прямоугольной формы в соответствии с формой желоба. Расстояние от проволочного вибратора до металлического экрана, no-возможности, минимальное, а до экрана из поглощающего материала значительно меньше длины вибратора. Длина желоба из поглощающего материала, noвозможности, значительно больше длины вибратора. При этом полагается, что внутреннее сопротивление импульсного генератора тока, питающего вибратор, согласовано с волновым сопротивлением фидерной линии. Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежом фиг.1, где представлен чертеж предложенной антенны (в разрезе), а также условно показаны земная поверхность и диаграмма направленности антенны. В состав предложенного устройства входят следующие элементы: проволочный вибратор 1; желоб цилиндрической (или прямоугольной) формы 2 из широкополосного поглощающего радиоволны материала; плоский металлический экран 3 круглой (или прямоугольной) формы; коаксиальные кабели 4, 5, связывающие импульсный генератор тока с ближним и дальним концами вибратора соответственно. Принцип действия предложенной антенны поясняется следующим. Известно, что напряженность электрического поля излучения элемента вибратора в дальней зоне пропорциональна производной по времени от тока текущего по этому определяется выражением [1] элементу, и где волновое сопротивление свободного пространства; - длина элемента вибратора; - дальность от элемента наблюдения; - скорость света; - время; до точки - ток в элементе вибратора; - угол места точки наблюдения. Импульсный генератор тока, питающий антенну, формирует, прямоугольные импульсы постоянного тока сравнительно большой длительности. Производная от такого тока всюду равна нулю, за исключением очень короткого (порядка 0,1нс и менее) времени длительности фронта импульса Вибратор 1 будет излучать радиоволны только в течение переходного процесса в нем, вызванного перепадом тока на фронте импульса генератора тока, питающего вибратор. Ток в вибратор поступает по кабелям 4, 5 с ближнего и дальнего концов. Во время переходного процесса вдоль вибратора навстречу друг др угу будут распространяться две волны тока со скоростью, близкой к скорости света. Направление тока этих волн в вибраторе одинаково, а направления распространения противоположны. Рассмотрим сначала первую волну тока, распространяющуюся от ближнего конца вибратора (точки подключения кабеля 4) к дальнему. При излучении от первой волны тока вертикально вверх поле в удаленной точке наблюдения в какой-либо текущий момент времени будет создаваться излучением участка длиной вибратора которая значительно меньше длины вибратора Этот участок перемещается по длине вибратора. При излучении под каким-нибудь углом места (см. фиг.1) поле от первой волны тока в удаленной точке наблюдения в какой-либо текущий момент времени будет создаваться участком вибратора длиной Следует иметь в виду, что в предложенной антенне длительность импульса и излучаемого сигнала от первой волны тока будет зависеть от угла места и определяется соотношением где - длительность фронта импульса генератора тока; -длина вибратора. Соотношения (3), (4), следуют из геометрии рисунка фиг.1 и обусловлены тем, что длина вибратора и во время излучения вдоль вибратора распространяется волна тока. Зависимость длительности импульса излучаемого сигнала от угла места является новым свойством предложенной антенны, которым прототип не обладает (в прототипе длительность импульса излучаемого сигнала постоянна, равна и не зависит от угла Это новое свойство предложенной антенны позволяет использовать ее в различных радиолокационных приложениях, например, для определения угловых координат по измерению длительности импульса. Производная на участке фронта импульса тока приближенно равна где - амплитуда импульса генератора тока; -длительность фронта импульса. С учетом выражения (6) можно записать следующее, выражение для пикового значения напряженности электрического поля от первой волны тока в удаленной точке наблюдения под углом места (без учета влияния экрана 3) Следует иметь в виду, что участок вибратора участвующий в создании поля в удаленной точке наблюдения в какой-либо текущий момент времени, не может превышать длину вибратора Поэтому формулы (4), (7) справедливы при углах места и не справедливы при меньших угла х места. При этом угол приближенно соответствует направлению максимума излучения первой волны тока в вибраторе. При малых угла х места пиковые значения напряженности электрического поля от первой волны тока в точке наблюдения (без учета влияния экранов) будет Для второй волну тока процесс излучения будет аналогичен, но она будет распространяться навстречу первой. Поэтому формулы (4), (5), (7) будут справедливы также для излучения второй волны тока, но в них следует поменять знак перед После отражения от металлического экрана 3 радиоволны, излучаемые второй волной в вибраторе, также будут иметь максимум излучения в направлении угла равного При этом максимум излучаемого импульса поля второй волны будет запаздывать относительно максимума импульса поля от первой волны тока на время Выражение (11) следует, из геометрии рисунка фиг.1 и описанного выше процесса излучения радиоволн для случая, когда ток начинает поступать в вибратор с обоих концов одновременно. Для увеличения направленности антенны предлагается задержать, начало поступления тока с ближнего конца вибратора на время Это достигается благодаря тому, что длина коаксиального кабеля 4 выбрана больше, чем у кабеля 5, на величину Подставляя сюда выражение (10), получим формулу (1). Экран из поглощающего материала 2 предназначен для ослабления облучения антенной земной поверхности и уменьшения обратных помеховых отражений от земли, а также для увеличения напряженности поля антенны в секторе малых положительных углов места. Боковые стенки экрана 2, выполненного в виде желоба, необходимы для ослабления излучения в горизонтальных направлениях, перпендикулярных трассе распространения радиоволн. Это требуется для улучшения электромагнитной совместимости предложенной антенны с другими расположенными вблизи радиотехническими системами. Металлический экран 3 необходим для ослабления излучения антенны в заднюю полусферу, увеличения коэффициента направленного действия антенны и увеличения поля в рабочем угломестном секторе антенны. Предложенное взаимное расположение вибратора 1 и металлического экрана 3 обеспечивает одинаковую полярность импульсов прямых и отраженных радиоволн в рабочем угломестном секторе антенны, что приводит к увеличению поля в точке наблюдения, так как известный принцип изменения полярности в данном конкретном случае не действует. Перечисленные выше элементы предложенной антенны на фиг.1 выполнены следующим образом. Вибратор 1 выполнен из тонкого хорошо проводящего провода (например, из меди). Коаксиальные кабели 4, 5 имеют известную конструкцию. Для уменьшения потерь и улучшения широкополосности желательно выполнить эти кабели с воздушным диэлектриком. Наружные оболочки коаксиальных кабелей следует заземлить. Длина кабеля 5 короче, чем у кабеля 4, на величину определяемую формулой (1). В случае, когда в коаксиальных кабелях 4, 5 используют диэлектрик с относительной диэлектрической проницаемостью длину следует уменьшить в раз. Экран из поглощающего материала 2 выполнен в виде желоба цилиндрической или прямоугольной формы. В качестве материала желоба целесообразно использовать материал, хорошо поглощающий радиоизлучение в широкой полосе частот. Такие материалы известны и широко используются в радиотехнике. Длина желоба 2, по возможности, должна быть значительно больше длины вибратора Расстояние от вибратора 1 до желоба 1 значительно меньше длины вибратора. Чем меньше это расстояние, тем короче необходимая длина желоба. Металлический экран 3 выполнен из тонкого плоского металлического листа (например, из латуни) круглой или прямоугольной формы в соответствии с формой желоба 2. Расстояние от вибратора 1 до металлического экрана 3 значительно меньше длины вибратора Этот экран также можно заземлить. Для подтверждения возможности осуществления предложенной антенны ниже приводятся рассчитанные авторами параметры возможного варианта выполнения антенны: - длительность фронта импульса генератора тока - длина вибратора - длина желоба 2 из поглощающего материала 3м; - расстояние от вибратора 1 до желоба 2 из поглощающего материала 0,05м; - расстояние от вибратора 1 до металлического экрана 3 - форма желоба 2 цилиндрическая (наружный радиус цилиндра 1,5м); - максимальная ширина желоба 3м; - форма металлического экрана 3 круглая (диаметр 3м); угломестное направление максимума диаграммы направленности антенны по пиковой мощности угломестная ширина диаграммы направленности антенны по половинной пиковой мощности 2 Нормированная расчетная диаграмма направленности этого варианта предложенной антенны в вертикальной плоскости над землей по пиковой мощности представлена на фиг.2, где для сравнении приведена также диаграмма направленности антенны-прототипа (штриховая кривая) в свободном пространстве. Таким образом, приведенные расчеты подтверждают возможность осуществления предложенной антенны и ее преимущества по сравнению с прототипом. Динамика работы предложенного устройства осуществляется следующим образом. Импульсный генератор тока генерирует импульсы постоянного тока сравнительно большой длительности и с очень крупным фронтом (длительность фронта не более 0,1нс). Вибратор 1 излучает радиоволны в течение переходного процесса в нем, вызванного перепадом тока на фронте импульса тока питающего антенну генератора. Так как длина вибратора 1 значительно больше с то длительность излучаемых импульсов электромагнитного поля будет зависеть от угла места При этом максимум излучения пиковой мощности направлен под сравнительно небольшим углом места Ме таллический экран 3 экранирует излучение в заднюю полусфер у, а желоб из поглощающего материала 2 ослабляют облучение антенной земной поверхности. Излученные вибратором 1 радиоволны частично отражаются металлическим экраном 3 в верхнюю половину передней полусферы. При этом импульсы прямых и отраженных от экрана радиоволн имеют одинаковую полярность и частично накладываются друг на друга, что увеличивает поле радиоволн в рабочем угломестном секторе антенны. Таким образом, предложенное устройство может быть осуществлено и позволяет устранить или ослабить отмеченные выше недостатки антенны прототипа.