Циліндрична низькопрофільна антена

Циліндрична низькопрофільна антена з діелектричною підкладкою (2), на одному боці якої роз 3 ючий елемент прямокутної форми, зігнутий по формі екрана, що описаний в журналі «Радіоаматор» №1 за 2000 р. Такий випромінювач може формувати електромагнітне поле як з горизонтальною так і вертикальною поляризацією. При необхідності збільшення коефіцієнта підсилення, на основі циліндричних низькопрофільних випромінювачів можуть бути створені антенні решітки. При цьому істотно спрощується схема розводки живлення та не порушується механічна міцність антенної системи в цілому. Циліндричний низькопрофільний випромінювач (антена) дає змогу формувати квазіненаправлене випромінювання в азимутальній площині, коефіцієнт нерівномірності якого визначається співвідношенням діаметра циліндричного екрана до довжини хвилі D/. Істотним недоліком відомого технічного рішення є те, що для зменшення коефіцієнта нерівномірності поля випромінювання в азимутальній площині, необхідно збільшувати кількість низькопрофільних випромінювачів, які розміщені по периметру циліндричного екрана. Таке технічне рішення приводить до ускладнення конструкції в цілому, а саме: ускладнюється схема розводки живлення. Крім того, для складання поля випромінювання декількох антен, розміщених на циліндричній поверхні, необхідно використовувати принцип побудови кільцевих антенних решіток, що висуває жорсткі вимоги до діаграми направленості (ДН) одинарного випромінювача. Перераховані недоліки усуваються в запропонованій корисній моделі, зображеній на фіг. 1: циліндричній низькопрофільній антені з діелектричної підкладкою (2), один бік якої виконує функцію екрана циліндричної форми (1), друга - випромінюючого елемента прямокутної форми, вигнутого по формі екрана (4). З метою зменшення коефіцієнта нерівномірності конструкція виконана таким чином, що периметр циліндричної поверхні екрана рівний довжині хвилі у внутрішньому об’ємі антени. Для доведення наявності суттєвих відмінностей в заявленій корисній моделі, які призводять до позитивного ефекту, на думку авторів, необхідно відмітити, що дослідження електродинамічних характеристик низькопрофільних антен можна провести на основі апертурної моделі, в основу якої покладено теорію хвилеводів. Згідно з нею, кожній конкретній низькопрофільній антені можна поставити у відповідність циліндричний хвеливід, що має поперечний переріз тієї ж форми, що й верхня пластина антени. В роботі [5] строго доведено, що поле випромінювання з щілини, прорізаної в металевому торці циліндричного хвилеводу поблизу його бічної поверхні та поле випромінювання з щілини прорізаної на бічній поверхні хвилеводу поблизу його торця буде однаковим. Тобто, це означатиме, що низькопрофільну антену з довільною конфігурацією верхньої пластини можна представити у вигляді щілинної антени тієї ж конфігурації, прорізаної в площині металевого екрана. Наприклад, для смужкової антени з прямокутною верхньою пластиною (фіг. 2) апертурна модель буде мати вигляд двоелементної антенної 66736 4 решітки із щілинних випромінювачів S0 довжиною В, рознесених на відстань А і прорізаних в металевому екрані S. Точність даного методу обмежена умовою d  0,1 , де d - відстань випромінювача до поверхні екрана, що є достатнім для проведення теоретичних розрахунків. Отже, згідно апертурної моделі, для знаходження зовнішніх характеристик циліндричної низькопрофільної антени з прямокутною верхньою пластиною, розміщеною над циліндричною поверхнею, її необхідно розглядати у вигляді двох повздовжніх щілин, прорізаних на поверхні циліндра. На фіг. 3 зображена апертурна модель такої антени. Подальший розрахунок зводиться до визначення характеристики направленості двоелементної антенної решітки, що складається з двох поздовжніх щілин, розташованих на поверхні циліндра. ХН в екваторіальній площині даної решітки згідно [3] визначається виразом: N   cosn(  i ) 1  f ()     2  jn ( 2) H( 2) / (ka )  i1  H1 (ka ) n1 n   (1) де: N - кількість щілин, a - радіус циліндра, ka - електричний діаметр циліндричної поверхні, i - кутова координата і-ої щілини, що визначається кількістю випромінювачів і положенням і-ої щілини у відповідності з виразом: 2(i  1) i  (2) N При N=2 розміщення другої щілини буде діаметрально протилежне відносно першої, тобто i   , тоді вираз для ХН в екваторіальній площині матиме вигляд:  2 cos n()  cosn(  ) f ()   2  jn (3) ( 2) H1 (ka ) H( 2) / (ka) n1 n У формулі (3) передбачається синфазність і рівність амплітуд між щілинами. В загальному випадку кутове рознесення щілин визначається як конструктивним виконанням самої ЦНА, так і наявністю діелектрика з відповідною діелектричною проникністю ' в об'ємі резонатора. На фіг. 5 представлений графік залежності коефіцієнта рівномірності  від значення  при ka=1. З даного графіка наглядно слідує, що при   3дБ (припустимо на практиці при використанні подібних антен, достатньо взяти діелектричний матеріал з  3,5 (наприклад: ФЛАН - 3,5; СА 3,8). При цьому електричний радіус циліндра ка буде рівним 0,53  , діаметр циліндра відносно довжини хвилі буде рівним 0,18  . З даного графіка наглядно слідує - при   3дБ , що є допустимим на практиці при використані подібних антен, достатньо взяти діелектричний матеріал з ' 3,5 (наприклад: ФЛАН - 3,5; 5 СА - 3,8). При цьому електричний радіус циліндра буде рівним 0,18  . Наприклад при компоновці телевізійної передавальної антени дециметрового діапазону на нижні канали, поперечні розміри циліндричного екрана (труби) будуть приблизно 120 мм. Для порівняння: турнікетна антена  300 мм; панельна з напівхвильовими вібраторами  420 мм; панельна з хвильовими вібраторами  840 мм. Якщо зафіксувати поперечні розміри циліндричного екрана антени (тобто забезпечити умову ka=const), і змінювати лише розміри ЦНА за рахунок введення діелектрика, то з'являється можливість отримати однонаправлене (секторне) випромінювання в азимутальній площині. На фіг. 4 (д-е) показані результати розрахунку для випадку ' =4 та ' =9. Таким чином, заявлена корисна модель має суттєву відмінність - рівність периметра циліндричного екрана довжині хвилі в ЦНА:  L  2a    0 , ' де   0 ' - довжина хвилі у внутрішньому об'ємі ЦНА;  0 - довжина хвилі у вільному просторі. За рахунок наявності двох діаметрально розташованих випромінюючих поздовжніх щілин на циліндрі, розмір якого зменшуються при збільшенні ' , отримуємо позитивній ефект - зменшення коефіцієнта нерівномірності поля випромінювання в азимутальній площині. 66736 6 Техніко-економічна перевага заявленого технічного рішення порівняно з прототипом: - зменшення коефіцієнта нерівномірності; - зменшення кількості випромінювачів при формуванні ненаправленого випромінювання в азимутальній площині; - зменшення масо-габаритних показників антени в цілому. Запропонована конструкція має практичне значення при проектуванні компактних передавальних телевізійних антен дециметрового діапазону, а також в інших радіотехнічних системах, де необхідно забезпечити секторну або ненаправлену ХН з горизонтальною поляризацією поля. Джерела інформації: 1. Уэйт Д. Электромагнитное излучение из цилиндрических систем. - М.: Сов. Радио, 1963.312с. 2. Марков В.Д. Возбуждение электромагнитных волн./ Марков. В.Д. Чаплин Ю.В. М.Радиотехника, 1989. - 423 с. 3. Материалы 8-й Международной крымской конференции "СВЧ техника и телекоммуникационные техники". - Украина. - Из-во СГТУ, 1998. 819с. 4. Ломан В.И. Микрополосковые антенные устройства / В. И. Ломан, М. Д. Ильинов. - М.: Зарубежная радиоэлектроника. - № 10,1981. - С. 99115 с. 5. Цибизов К.Н. Микрополосковые антенны / К.Н. Цибизов, М.Д. Ильинов. - К. : Общество "Знание", 1980.-28 с. 7 66736 8 9 Комп’ютерна верстка Мацело В. 66736 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601