Неспрямована вібраторна антена

Неспрямована вібраторна антена, що містить два взаємно перпендикулярних горизонтальних симетричних вібратори і загальну фідерну лінію, що відрізняє ться тим, що до складу антени додатково включений третій вертикальний симетричний вібратор, що пов'язаний паралельно з двома іншими вібраторами антени, нижнє плече третього вібратора виконано у вигляді зовнішньої металевої оболонки коаксіального кабелю фідерної лінії, що безпосередньо пов'язана з усіма трьома вібраторами антени, товщина усіх вібраторів антени однакова і дорівнює зовнішньому діаметру коаксіального кабелю фідерної лінії, на нижньому кінці третього вібратора додатково установлено чвертьхвильовий стакан, а довжини плечей усіх вібраторів різні і рівні значенням, обумовленим із рішення таких трьох трансцендентних рівнянь A (54) НЕСПРЯМОВАНА ВІБРАТОРНА АНТЕНА 33902 У основу винаходу поставлена задача удосконалення неспрямованої вібраторної антени, у якій за рахунок виконання антени з трьох паралельно пов'язаних взаємно перпендикулярних симетричних вібраторів різної довжини забезпечують можливість прийому радіохвиль будь-якої поляризації з будь-яких напрямків і наближають діаграму спрямованості антени до ідеальної неспрямованої діаграми сферичної форми. Поставлена задача вирішується тим, що в вібраторної антені, що містить два взаємно перпендикулярних горизонтальних симетричних вібратори і загальну фідерну лінію, відповідно до винаходу: до складу антени додатково включений третій вертикальний симетричний вібратор, що пов'язаний паралельно з двома іншими вібраторами антени; нижнє плече третього вібратора виконано у вигляді зовнішньої металевої оболонки коаксіального кабелю фідерної лінії, що безпосередньо пов'язана з усіма трьома вібраторами антени; товщина усі х вібраторів антени однакова і дорівнює зовнішньому діаметру коаксіального кабелю фідерної лінії; на нижньому кінці третього вібратора додатково установлено чвертьхвильовий стакан, а довжини плечей усіх вібраторів різні і рівні значенням, обумовленим із рішення таких трьох трансцендентних рівнянь двопровідна фідерна лінія прототипу замінена на коаксіальну фідерну лінію. У запропонованій антені запитку всі х трьох симетричних вібраторів здійснюють паралельно від загальної коаксіальної фідерної лінії, а зовнішню металеву оболонку цієї лінії використовують як нижнє плече третього вертикального вібратора. Вертикальний вібратор настроюють у резонанс на робочій довжини хвилі, перший горизонтальний вібратор трохи подовжують, а другий горизонтальний вібратор трохи вкорочують. Це здійснюють вибором довжин вібраторів таким чином, що струм у першому вібраторі відстає по фазі від струму у вертикальному вібраторі на 45°, а струм у другому вібраторі випереджає по фазі струм у вертикальному вібраторі на 45°. У результаті струми в першому і другому вібраторі будуть зрушені по фазі на 90°. Це дозволяє виключити нульові провали в діаграмі спрямованості антени. Запропонований устрій дозволяти приймати радіохвилі будь-якої поляризації з будь-яких напрямків, усуває провали в діаграмі спрямованості антени і наближає форму діаграми до діаграми сферичної форми ідеальної не спрямованої антени. Технічна суть і принцип дії запропонованого пристрою пояснюются фіг. 1, 2, 3, 4. На фіг. 1, 2 поданий спрощений ескіз запропонованої антени в двох проекціях (головний вид - угорі малюнка, вид поверх - внизу малюнка). На фіг. 3, 4 подані розрахункові діаграми спрямованості в горизонтальній (фіг. 3) і вертикальній (фіг. 4) площинах запропонованої антени (крива 1) і прототипу(крива 2). До складу запропонованого пристрою на фіг. 1, 2 входять такі основні елементи: перший симетричний горизонтальний вібратор 1; другий симетричний горизонтальний вібратор 2 (вібратори 1, 2 взаємно перпендикулярні і мають різну довжину); третій симетричний вертикальний вібратор 3 (цей вібратор настроєний у резонанс на робочій довжині хвилі); коаксіальна фідерна лінія 4 (усі три вібратори залучені паралельно до цієї лінії, а хвильовий опір лінії дорівнює ρ=50 Ом); чвертьхвильовий стакан 5 у вигляді відрізка короткозамкнутої на кінці коаксіальної лінії довжиною λ/4, установленої на зовнішній металевій оболонці фідерної лінії 4 наприкінці нижнього плеча третього вібратора. Нижче пояснюються принцип дії запропонованого пристрою й обгрунтовуються його істотні відмітні ознаки. Прототип містить два взаємно перпендикулярні симетричні горизонтальних вібратори і не може приймати радіохвилі вертикальної поляризації з малих кутів місця q. Для усунення цієї хиби в запропоновану антену додатково включено третій вертикальний симетричний вібратор і всі три вібратори паралельно пов'язані з загальною коаксіальної фідерної лінією. Для того, щоб у діаграмі спрямованості запропонованої антени не було нульових провалів, потрібно, щоб струми в трьох вібраторах були зрушені по фазі друг щодо друга на 90°. Для двох вібраторів така вимога легко виконується (як у прототипі), а для трьох вібраторів його виконати неможливо. Тому запропоновано настроїти третій вібратор у резонанс шляхом невеличкого укорочення довжини його плеча поблизу L=λ/4, а довжини другого і третього вібраторів вибрати де L1, L2, L3 - довжини одного плеча першого, другого і третього вібраторів відповідно; а - радіус вібратора; λ - довжина хвилі; z- перемінна інтегрування; j - мнима одиниця комплексного числа; p=3,14159265; Re, Im - позначення речовинної і мнимої частин комплексного числа. Фазообертач, що був у прототипі, у ви гляді чвертьхвильового відрізка двопровідної лінії зі складу запропонованого устрою виключений, а 2 33902 так, щоб стр ум у першому вібраторі відставав по фазі на 45°, а струм у др угому вібраторі випереджав по фазі на 45° струм у третьому вібраторі. При такому співвідношенні фаз струмів трьох вібраторів діаграма спрямованості антени не буде мати нульових провалів, тому що фази струмів першого і другого вібраторів зрушені на 90°, а фаза струму в третьому вібраторі відрізняється від фаз стр умів горизонтальних вібраторів на 45° (оптимальну необхідну відмінність 90° реалізувати неможливо). Для одержання необхідних фаз струмів у горизонтальних вібраторах довжини їхніх плечей вибирають відповідною уявою поблизу розміру L=λ/4. Для доказу можливості практичної реалізації запропонованої антени нижче наводяться необхідні математичні співвідношення. Комплексний вхідний опір симетричного вібратора визначається таким відомим співвідношенням [1] розташування трьох вібраторів принципово необхідно для реалізації запропонованого пристрою. Можливість практичної реалізації запропонованої антени підтверджується розрахунками діаграм спрямованості антени. Результати розрахунків діаграм спрямованості антени в горизонтальній і вертикальній площинах подані на фіг. 3, 4 відповідно. Крива 1 на цих малюнках розрахована для запропонованого пристрою, а крива 2 - для прототипу. Розрахунки проводилися за методикою і співвідношеннями, поданим у літературі [1]. Розрахунки показали, що по спрямованих властивостях запропонована антена не поступається прототипу і діаграма спрямованості запропонованої антени наближається до ідеально неспрямованої діаграми сферичної форми. Проте прототип не може приймати (або випромінювати) радіохвилі вертикальної поляризації під малими кутами місця, а запропонована антена може. Розрахунки діаграм спрямованості на фіг. 3, 4 проводилися для запропонованої антени з такими параметрами: робоча частота f=1575 МГц; довжина одного плеча першого вібратора L1=0,066 м; довжина одного плеча другого вібратора L2=0,036 м; довжина одного плеча третього вібратора L3=0,43 м; радіус вібратора a=0,005 м; хвильовий опір коаксіальної фідерної лінії ρ=50 Ом. Розрахунки підтверджують переваги запропонованої антени порівняно з прототипом. Нижнє плече третього вертикального вібратора виконано з зовнішньої металевої оболонки коаксіальної фідерної лінії. Це дозволяє розмістити фідерну лінію усередині плеча третього вібратора і виключити вплив лінії на вхідні опори вібраторів. Використання коаксіальної фідерної лінії замість двопровідної дозволяє в цьому випадку істотно спростити конструкцію системи живлення трьох вібраторів. Чвертьхвильовий стакан на зовнішній оболонці коаксіальної фідерної лінії потрібно для обмеження довжини нижнього плеча третього вібратора. Цей стакан подає чвертьхвильовий короткозамкнутий на кінці відрізок коаксіальної лінії і його вхідного опору дуже велико. Тому на нижньому кінці третього вібратора буде вузол струму, що необхідно для забезпечення симетрії антенної системи. Струми не затікають на зовнішню поверхню коаксіальної фідерної лінії нижче місця умикання чвертьхвильового стакана і не впливають на вхідні опори вібраторів. Вибір товщини усіх вібраторів, рівної зовнішньому діаметру коаксіальної фідерної лінії, потрібно для забезпечення симетрії третього вібратора і всієї антенної системи, а при такій симетрії діаграма спрямованості антени буде краще наближатися за формою до сфери. Запропонована антена може приймати радіохвилі будь-якої поляризації з будь-яких напрямків і не має глибоких провалів діаграми спрямованості. Тому запропоновану антену доцільно використовувати для прийому сигналів у випадках, коли напрямок приходу і поляризація радіохвиль джерела радіовипромінювання не відомі, наприклад, для прийому сигналів навігаційного штучного суп утника Землі. Таким чином, запропонований пристрій може бути практично реалізований й усуває відзначену хибу аналога і прототипу, а відзначені вище відмі де Zвх - комплексний вхідний опір симетричного вібратора; L - довжина одного плеча вібратора; а радіус вібратора; z - перемінна інтегрування; j мнима одиниця комплексного числа; p=3,14159265; λ - довжина хвилі. Для настроювання третього вібратора в резонанс необхідно вибрати довжину його плеча L3 так, щоб мнима частина його вхідного опору дорівнювала нулю. Зна ходячи мниму частину співвідношення (4) і прирівнюючи її до нуля, одержимо трансцендентне рівняння (3), що рекомендується використовува ти для визначення довжини плеча L3 третього вібратора. Для того, щоб фаза струму у вібраторі відставала на 45° від резонансного струму, необхідно, щоб вхідний опір був індуктивним і реактивна частина комплексного опору дорівнювала активній частині, а для випередження по фазі на 45° вхідний опір повинний бути ємнісним і реактивна частина повинна дорівнювати по модулю і бути протилежною за знаком активній частині вхідного опору. Знаходячи активну і реактивну частини вхідного опору зі співвідношення (4) і прирівнюючи нулю їхні різниці і суми, одержимо трансцендентні рівняння (1), (2), що рекомендується використовувати для визначення довжин плечей L1, L2 першого і другого вібраторів. Рішення трансцендентних рівнянь (1-3) варто шукати поблизу значення L=λ/4. Для реалізації пропозиції необхідно, щоб вібратори не впливали один на одного й один із вібраторів не змінював вхідний опір інших вібраторів через електромагнітні зв'язки між ними. Це можна легко забезпечити шляхом суміщення центрів усіх трьох симетричних вібраторів і розташування вібраторів взаємно перпендикулярно друг до друга. При такому розташуванні взаємний наводимий опір вібраторів дорівнює нулю і вібратори майже не впливають один на одного. Тому зазначене 3 33902 тні ознаки є істотними і принципово необхідні для реалізації пристрою. Основні елементи запропонованого пристрою на фіг. 1, 2 виконані в такий спосіб. Вібратори 1, 2, 3 виконані з металевих стрижнів діаметр, яких дорівнює діаметру зовнішньої металевої оболонки загальної коаксіальної фідерної лінії 4. Всі вібратори взаємно перпендикулярні і паралельно пов'язані з загальною коаксіальної фідерної лінією 4. Довжини плечей вібраторів 1, 2, 3 визначають із рішення трансцендентних рівнянь (1-3). Чвертьхвильовий стакан 5 виконаний у виді чвертьхвильового короткозамкнутого на кінці відрізка коаксіальної лінії і встановлений на зовнішній оболонці фідерної лінії 4 у точці кінця нижнього плеча третього вібратора 3. Слід зазначити, що запропонована антена вузькосмугова і не може працювати в широкому діапазоні радіохвиль. Проте прототип також має такі хиби. Динаміка роботи запропонованого пристрою здійснюється в такий спосіб. Вібратори антени приймають радіохвилі, що приходять із якогось напрямку. Фази струмів у горизонтальних вібраторах будуть відрізнятися від фази струму вертикального вібратора на ±45°, а зсув фаз струмів гори зонтальних вібраторів дорівнює 90°. Сигнали трьох вібраторів підсумовуються на вході загальної коаксіальної фідерної лінії 4. Зазначене співвідношення фаз струмів вібраторів і взаємно перпендикулярне розташування вібраторів забезпечують відсутність глибоких провалів у діаграмі спрямованості антени і можливість прийому радіохвиль будь-якої поляризації. Таким чином, запропонований пристрій вирішує поставлену задачу, усуває відзначені хиби аналога і прототипу і дозволяє приймати радіохвилі будь-якої поляризації з будь-яких напрямків, усуває провали в діаграмі спрямованості антени і наближає форму діаграми до діаграми сферичної форми ідеальної неспрямованої антени. Джерела інформації 1. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны: Учебник для студентов радиотехнических специальностей вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1975. 2. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых, сканирующи х, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. - М.: Энергия, 1973. С. 138, рис. 3-10а (прототип). 4 33902 Фіг. 1 Фіг. 2 5 33902 Фіг. 3 6 33902 Фіг. 4 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 7