Вібраторна антена для імпульсних несинусоідальних сигналів

Изобретение относится к области радиотехники, в частности, антенной техники и может быть использовано в радиотехнических системах различного назначения для излучения или приема несинусоидальных импульсных сигналов очень короткой длительности (порядка 1 не и менее). Известна вибраторная антенна, из двух вибраторов, в которой один из вибраторов экранирован плоским металлическим экраном и экраном, выполненным из поглощающего радиоволны материала. Длина вибратора такой антенны а расстояние от вибратора до плоскости металлического экрана Такая антенна облучает одну полусферу пространства, а излучение в др угой полусфере экранировано двумя экранами и практически отсутствует. Максимум излучения такой антенны прототипа направлен по нормали к плоскости металлического экрана в полусферу, неэкранированную экранами. Запитка излучающего вибратора антенны осуществлена с двух концов с помощью проводников, связывающих вибратор с генератором тока. Излучение соединительных проводников экранировано экраном из поглощающего материала. Известно, что плотность мощности радиоволн, излучаемых коротким вибратором длиной в свободном пространстве в плоскости, перпендикулярной вибратору, в дальней зоне определяется следующим выражением [1] где - волновое свободного пространства; - длина вибратора; сопротивление - скорость света; - дальность от вибратора до наблюдения; - ток в вибраторе; - время. Для антенны-прототипа производная приближенно равна точки Амплитуды импульсов поля прямой и отраженной от экрана волн примерно одинаковы, а направление векторов напряженности электрического поля этих волн противоположное. Поэтому при отраженная от экрана волна будет частично подавлять прямую волну. С учетом эти х замечаний и выражений (1), (2), (3) можно записать следующее выражение для средней за период плотности мощности излучаемой антенной-прототипом, в точке наблюдения в плоскости, перпендикулярной вибратору: Это соотношение справедливо при Отсюда следует, что нормированная диаграмма направленности антенны-прототипа по средней за период мощности в плоскости, перпендикулярной вибратору, определяется выражением а ширина диаграммы направленности по половинной мощности будет где - азимутальный угол, отсчитываемый от нормали к экрану в плоскости, перпендикулярной вибратору. Из выражения (4) следует, что увеличить мощность в направлении максимального излучения в антенне-прототипе можно путем увеличения расстояния от вибратора до металлического экрана. Однако это потребует значительного увеличения размеров металлического экрана, так как в противном случае возрастет нежелательное излучение в заднюю полусферу. Отсюда возникает техническая задача: попытаться увеличить излучаемую антенной мощность в направлении максимального излучения, не увеличивая расстояние размеры вибратора и экрана, при прежних параметрах питающего антенну импульсного генератора тока сохранив, по возможности, прежнюю где - амплитуда импульса тока питающего антенну генератора; - длительность фронта импульса тока. Отсюда следуе т, что антенна излучает только на интервалах времени, соответствующи х фронту импульса тока в вибраторе. Импульс радиоволн, отраженных от плоскости металлического экрана, запаздывает относительно импульса поля прямой волны в плоскости, перпендикулярной вибратору, на время равное где - расстояние от вибратора до плоскости металлического экрана; - угол, о тсчитываемый от нормали к экрану в плоскости, перпендикулярной вибратору. диаграмму направленности антенны Таким образом, недостатком прототипа является то, что отраженная от металлического экрана волна частично подавляет прямую волну и излучаемая мощность в направлении максимального излучения сравнительно мала. В основу изобретения поставлена задача увеличения мощности, излучаемой в направлении максимального излучения, при прежних размерах антенны и прежних параметрах питающего антенну импульсного генератора тока, сохранив, по возможности, прежнюю ширину диаграммы направленности антенны. Решение этой задачи достигается благодаря тому, что в устройстве-прототипе, содержащем проволочный вибратор, длина которого меньше произведения скорости света c на длительность фронта импульса тока, питающего вибратор, плоский металлический экран, удаленный от вибратора на расстояние и экран из поглощающего материала, экранирующий излучение проводников, соединяющих концы вибратора с импульсным генератором тока, металлический экран выполнен в виде сетки проводов, параллельных вибратору. При этом расстояние между проводами и диаметр проводов сетки целесообразно выбрать таким образом, чтобы параметр сетки находился в интервале Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежом на фиг.1 и графиками на фиг.2. На фиг.1 схематически представлен чертеж предложенной антенны (главный вид и вид сверху в разрезе). На фиг.2а представлен график зависимости от параметра сетки отношения максимальной средней за период плотности мощности предложенной антенны, излучаемой в направлении нормами к экрану, соответствующей плотности мощности прототипа при прочих равных условиях, а на фиг.2б представлен график зависимости от того же параметра отношения ширины диаграммы направленности предложенной антенны по половинной мощности в плоскости, перпендикулярной вибратору, к соответствующей ширине диаграммы направленности прототипа. В состав предложенного устройства входят следующие элементы: проволочный вибратор 1 длиной металлический проволочный экран 2, в виде сетки проводов диаметром параллельных вибратору, с расстоянием между проводами удаленный от вибратора на расстояние соединительные проводники 3, соединяющие концы вибратора 1 с импульсным генератором тока, питающим антенну; экран из поглощающего радиоволны материала 4, экранирующий излучение соединительных проводников 3. Принцип действия предложенной антенны поясняется следующим. Для увеличения плотности мощности в направлении нормали к экрану при желательно, чтобы экран почти не отражал радиоволны в этом направлении, а для сохранения прежней ширины диаграммы направленности требуется, чтобы экран отражал радиоволны в други х направлениях при больших значениях угла так же, как и экран прототипа. Это можно обеспечить, если выполнить экран в виде сетки проводов, параллельных вибратору, так, как описано выше. Известно, что коэффициент отражения радиоволн от проволочной сетки параллельных проводов в плоскости, перпендикулярной проводам, определяется следующим соотношением где - параметр сетки, определяемый выражением (7). Выражение (8) получено из более общего выражения для частного случая несинусоидальных импульсных сигналов. Для сплошного плоского металлического экрана прототипа коэффициент отражения радиоволн в плоскости, перпендикулярной вибратору, равен и не зависит от угла то есть выражение (8) справедливо и в этом случае, но при значении параметра Для экрана предложенной конструкции в виде сетки параллельных проводов и подходящем выборе значения параметра сетки зависящего от расстояния между проводами и диаметра проводов коэффициент отражения будет мал при и близок при То есть экран предложенной конструкции обеспечивает указанные выше отражательные свойства. Для обоснования подходящего выбора параметров проволочной сетки (расстояния между проводами диаметра проводов и параметра сетки были) проведены расчеты зависимостей сетки и от параметра для частичного варианта антенны при значении параметров Результаты расчетов представлены на графиках фиг.2а,б. При этом значение параметра сетки соответствует сплошному металлическому экрану (то есть прототипу), а значение соответствует случаю отсутствия металлического экрана. Штриховыми линиями на этих графиках помечены предельные значения, к которым стремятся зависимости при Расчеты показали, что при увеличении параметра сетки возрастает плотность мощности в направлении нормали к экрану, но также увеличивается ширина диаграммы направленности в плоскости, перпендикулярной вибратору. Из графиков фиг.2а, б видно, что в этом случае целесообразно выбрать значение параметра сетки в интервале При этом выигрыш плотности мощности будет не менее 3 раз, а ширина диаграммы направленности возрастет незначительно не более 15%. Выбрав параметр сетки можно подобрать подходящие значения расстояния между проводниками и диаметра проводов с помощью соотношения (7). Перечисленные выше элементы предложенного устройства на фиг.1 выполнены следующим образом. Вибратор 1 выполнен из тонкого хорошо проводящего провода. Длина вибратора Концы вибратора 1 связаны проводниками 3 с импульсным генератором тока (или приемником при приеме сигналов). Металлический проволочный экран 2 удален от вибратора 1 на расстояние и выполнен из тонких проводов, параллельных вибратору. Параметры проволочной сетки выбирают в соответствии с приведенными выше рекомендациями. Экран из поглощающего материала 4 экранирует излучение проводников, соединяющих вибратор 1 с импульсным генератором тока, и выполнен из широкополосного поглощающего радиоволны материала. Такие материалы известны и широко применяются в радиотехнике. Динамика работы предложенного устройства осуществляется следующим образом. Вибратор 1 запитывается с двух концов по соединительным проводникам 3 током в виде видеоимпульсов сравнительно большой длительности и с очень короткой длительностью фронта импульса Излучение радиоволн осуществляется в интервалы времени, соответствующие длительности фронта импульса тока Экран из поглощающего материала 4 экранирует излучение соединительных проводников 3. При излучении в направлении нормали к металлическому проволочному экрану 2 радиоволны почти не будут отражаться от этого экрана в этом направлении и не будут подавлять поле прямой волны, что способствует увеличению плотности излучаемой мощности в этом направлении. При излучении в други х направлениях (при больших значениях угла радиоволны будут о тражаться от экрана 2 и будут подавлять поле прямых радиоволн, что способствует сохранению прежней (как у прототипа) ширины диаграммы направленности антенны. Таким образом, предложенная антенна позволяет втрое увеличить излучаемую плотность мощности в направлении нормали к экрану по сравнению с прототипом при прочих равных условиях.