Спосіб зменшення розмірів лінійних антенних решіток і пристрій для його реалізації

Реферат: Спосіб зменшення розмірів лінійних антенних решіток і пристрій для його реалізації належить до радіотехніки і може бути використаний для зменшення довжини лінійних антенних решіток. Спосіб передбачає зменшення розмірів решітки за рахунок зменшення розмірів вібраторів, з яких складається решітка, та зменшення кроку їх розташування у решітці. Зменшення довжини вібраторів до розміру, що дорівнює одній восьмій довжини хвилі на частоті їх резонансу, здійснюється за рахунок введення у їх розрив подовжувальних котушок. Вібратори розташовуються у вигляді лінійної решітки над противагою з діаметром, що дорівнює непарній кількості половини довжини хвилі на частоті випромінювання решітки. Електричне живлення решітки здійснюється у її нижній частині. Технічним результатом є зменшення довжини антенної решітки у чотири рази при збереженні її коефіцієнта підсилення та покращенні діаграми спрямованості. UA 112110 C2 (12) UA 112110 C2 UA 112110 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід стосується радіотехніки і може бути використаний для проектування антенних решіток радіотехнічних приладів різного призначення. Відомий спосіб зменшення розмірів лінійних антенних решіток поперечного випромінювання шляхом їх розміщення над противагою та збудження у сусідніх вібраторах синфазних електричних коливань[1]. Для цього вібратори в еквідистантній антенній решітці розташовують рівномірно з кроком, рівним половині робочої довжини хвилі, а між вібраторами розміщують вигнуті у вигляді літери Π фазообертачі [2]. Недоліком способу є значні розміри антенної решітки в поздовжньому напрямку, а також відхилення максимуму діаграми спрямованості від горизонтальної площини при розміщенні антенної решітки над противагою. Відомі способи зменшення розміру вібраторів антени шляхом введення в їх розрив одновиткових подовжувальних котушок [3, 4], що дозволило зменшити геометричну довжину вібраторів до розмірів у одну шосту - одну десяту довжини робочої хвилі антени при їх резонансі на робочій частоті антени. Основним недоліком цих способів є мала спрямованість випромінювання антени і пов'язаний з цим малий коефіцієнт підсилення. Найбільш близьким аналогом способу, що заявляється, є спосіб зменшення розмірів лінійних антенних решіток та формування одностороннього випромінювання двох паралельно розташованих відносно один до одного півхвильових вібраторів шляхом їх збудження однаковими за величиною, але різними за фазами струмами [5]. При цьому діаграма спрямованості може прийняти форму кардіоїди, якщо відстань між вібраторами буде дорівнювати чверті довжини хвилі, а зсув фаз між електричними коливаннями в них складе 90°. Подібний ефект також має місце якщо відстань між вібраторами дорівнює одній восьмій довжини хвилі, а фазовий зсув між струмами коливань в них дорівнює 45° або 135°. Недоліком способу-аналога є великий кут розкриття діаграми спрямованості та обумовлений цим незначний коефіцієнт підсилення, значні розміри антени в поперечному напрямку і неможливість отримання кругової діаграми спрямованості в горизонтальній площині, що дуже важливо при радіозв'язку з об'єктами, розташування яких змінюється або невідоме. Задачею винаходу є зменшення розмірів лінійної антенної решітки та збільшення коефіцієнта спрямованої дії і коефіцієнта підсилення лінійної антенної решітки при її круговій діаграмі спрямованості в горизонтальній площині. Для вирішення поставленої задачі в способі зменшення розмірів лінійних антенних решіток сусідні вібратори збуджують рівними за величиною, але протилежними за фазою струмами, при цьому крок антенної решітки вибирають рівним одній восьмій робочої довжини хвилі антенної решітки, згідно з винаходом, вібратори розташовують над противагою з діаметром, кратним непарній кількості половин довжини робочої хвилі антенної решітки у вигляді лінійної решітки, при цьому в розрив кожного вібратора вводять подовжувальні котушки такої довжини, щоб кожен вібратор мав резонанс на робочій частоті антенної решітки, при геометричній довжині вібратора, що дорівнює одній восьмій довжини робочої хвилі решітки, і таким чином формують крок антенної решітки, рівний одній восьмій її робочої довжини хвилі, а найближчий до противаги вібратор приєднують до живильної фідерної лінії. Суть винаходу пояснюється кресленнями (фіг. 1 - фіг.5). Фіг. 1. Лінійна антенна решітка поперечного випромінювання над противагою. Фіг.2. Діаграма спрямованості у вигляді кардіоїди, сформована двома півхвильовими вібраторами, розташованими на відстані (1/4)  (де  - довжина робочої хвилі решітки) та збудженими електричними струмами із зсувом фаз 90° (Δ=90°, фіг.2а) і для двох півхвильових вібраторів, розташованих на відстані (1/8) , збудженими із зсувом фаз 135° (Δ=135°, фіг.2б). Фіг.3. Розподіл струмів в лінійній антенній решітці поперечного випромінювання, яка формує вузькоспрямоване випромінювання у вертикальній площині при рівномірному випромінюванні в горизонтальній площині. Фіг.4. Діаграма спрямованості малогабаритної лінійної антенної решітки поперечного випромінювання у вертикальній площині. Фіг.5. Зовнішній вигляд малогабаритної лінійної антенної решітки. На фіг. 1 показана еквідистантна лінійна антенна решітка поперечного випромінювання над противагою та її діаграма спрямованості у вертикальній площині. Решітка містить лінійно розташовані з кроком /2 лінійні півхвильові вібратори 1, між якими розташовані півхвильові вібратори 2, вигнуті у вигляді літери П, що виконують функцію фазообертачів. Решітка розташована над противагою 4 і живлена у своїй нижній частині від джерела сигналу 3. Внаслідок віддзеркалення електромагнітних хвиль від противаги, діаграма спрямованості (ДС) антенної решітки має максимум випромінювання під деяким кутом до нормалі, а не по нормалі до осі антенної решітки. 1 UA 112110 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На фіг.2 показані діаграма спрямованості для двох півхвильових вібраторів, розташованих на відстані (1/4)  один від одного, живлених із зсувом фаз 90° (Δ=90°, фіг.2а) та для двох півхвильових вібраторів, розташованих на відстані (1/8) , живлених із зсувом фаз 135° (Δ = 135°, фіг.26). Діаграми спрямованості мають вигляд кардіоїди з максимумом, спрямованим у бік живлячого фідера. Розподіл струмів у малогабаритній лінійній антенній решітці поперечного випромінювання, що формує вузькоспрямоване випромінювання у вертикальній площині при рівномірному випромінюванні в горизонтальній площині, показаний на Фіг.3. Решітка містить активний випромінювач 1, до верхньої частини якого приєднаний ряд пасивних випромінювачів 2, що формують з активним вібратором лінійну антенну решітку поперечного випромінювання, шаг якої дорівнює (1/8) , до нижньої частини активного вібратора приєднаний перший провідник живлячого фідера 3, другий провідник якого приєднано до противаги 4, діаметр противаги вибраний рівним непарній кількості половин хвиль на робочої частоти решітки. На фіг.4 показана малогабаритна лінійна антенна решітка поперечного випромінювання та її діаграма спрямованості у вертикальній площині. Антенна решітка містить активний випромінювач 1, до верхньої частини якого приєднано рівномірно розташований з кроком (1/8)  ряд пасивних випромінювачів 2, що формують з активним вібратором лінійну антенну решітку, до нижньої частини активного вібратора приєднаний перший провідник живлячого фідера 3, другий провідник якого приєднано до противаги 4. Щоб уникнути затікання струмів за край противаги і запобігти появі додаткових напрямів випромінювання, діаметр противаги антенної решітки вибирають рівним непарній кількості половин довжини хвилі в робочому діапазоні частот решітки. Діаграма спрямованості (ДС) антенної решітки формується в результаті взаємодії діаграм спрямованості окремих випромінювачів і діаграми спрямованості решітки, що має вигляд кардіоїди (фіг.2) з максимумом, спрямованим у бік живлячого фідера. Внаслідок чого максимум випромінювання решітки зміщується в площину горизонту по нормалі до осі антенної решітки. Зовнішній вигляд малогабаритної лінійної антенної решітки поперечного випромінювання, що реалізує запропонований спосіб, показаний на фіг.5. Антенна решітка включає активний вібратор 1, до верхньої частини якого приєднаний ряд утворюючих антенну решітку пасивних вібраторів 2, при цьому до нижньої частини активного вібратора приєднаний перший провідник живлячого фідера 3, другий провідник якого приєднаний до центральної частини противаги 4. В розриви активного і пасивних вібраторів паралельно одна до одної включені подовжувальні котушки 5. Включення в розрив випромінювачів котушок, що укорочують геометричну довжину, дозволяє отримувати в них електричні коливання на робочій частоті антенної решітки при геометричній довжині випромінювачів в одну восьму робочої довжини хвилі. Здійснюється пропонований спосіб наступним чином. До центральної частини противаги 4 (Фіг.5), діаметр якої вибирають рівним непарному числу довжин півхвиль на робочій частоті решітки, приєднують перший провідник живлячого фідера 3, другий провідник якого приєднують до нижньої частини активного вібратора 1, до верхньої частини активного вібратора приєднують ряд послідовно з'єднаних пасивних вібраторів 2, що утворюють з активним вібратором лінійну антенну решітку. В розриви активного і пасивних вібраторів включають паралельно з'єднані подовжувальні котушки 5. При цьому довжини подовжувальних котушок вибирають таким чином, щоб електричний резонанс вібраторів на робочій частоті наступив при їх геометричній довжині, що дорівнює одній восьмій частині робочої довжини хвилі антенної решітки. На антенну решітку через фідерну лінію подають електричний сигнал, чим збуджують в ній електричні коливання, розподіл яких показано на фіг.3. Шляхом реалізації показаного на фіг. 3 розподілу струмів в антенній решітці, в ній формують діаграму спрямованості (ДС), показану на фіг. 4. Формують діаграму спрямованості шляхом просторового перемноження діаграм спрямованості стандартного півхвильового вібратора і діаграми спрямованості решітки, останню формують забезпеченням необхідного фазового зсуву в 135° між електромагнітним випромінюванням, що збуджується електричними коливаннями в сусідніх вібраторах. Реалізують спосіб пристроєм, зовнішній вигляд якого показаний на фіг. 5. Працює показана на фіг. 5 малогабаритна лінійна антенна решітка поперечного випромінювання наступним чином. При надходженні з фідера 3 електричної енергії в активному 1 і в пасивних вібраторах 2 збуджуються електричні коливання, наслідком яких є випромінювання електромагнітної енергії антеною решіткою. Виниклі у вібраторах електричні коливання, спільно з електричними коливаннями, виниклими в противазі 4 збуджують електромагнітне випромінювання з діаграмою спрямованості, показаної на фіг. 1. Утворившись за рахунок подовжувальних котушок 5 фазовий зсув між електромагнітним випромінюванням у 135°, що збуджується за рахунком електричних коливаннях у сусідніх випромінювачах, додатково формує діаграму спрямованості решітки, 2 UA 112110 C2 5 10 15 20 25 вигляд якої показаний на фіг.2, остання взаємодіючи з діаграмою спрямованості випромінювачів над противагою (фіг. 1), дає результуючу діаграму спрямованості антеною решітки, що показана на фіг.4. Реалізація запропонованого способу дозволяє скорочувати довжини лінійних антенних решіток в чотири рази без втрати коефіцієнта підсилення при покращенні їх діаграм спрямованості. Введення в розрив лінійно розташованих випромінювачів елементів подовження їх електричної довжини дозволило скоротити їх геометричну довжину до рівня /8, що в поєднанні з фазовим зсувом на  (180°) між сусідніми випромінювачами дало змогу отримати діаграму спрямованості лінійно розташованих вібраторів у вигляді кардіоїди з напрямком випромінювання до живлячого фідера. Що, в поєднанні з діаграмами спрямованості окремих випромінювачів, дало змогу отримати діаграми спрямованості розташованих над противагою лінійних антенних решіток з максимумом в площині горизонту. Все це дозволяє створювати малогабаритні лінійні антенні решітки з довжиною у чотири рази меншою, ніж у традиційних, і при цьому покращити вигляд їх діаграм спрямованості та збільшити радіус радіозв'язку у напрямку вздовж горизонту, без підвищення потужності випромінювання. Вживання запропонованого способу при конструюванні та виготовленні лінійних антенних решіток та їх використанні у засобах радіозв'язку дає істотний техніко-економічний ефект і підвищує зручності у їх експлуатації. Джерела інформації: 1. Вершков М.В. Судовые антенны. - Л.: Судостроение, 1979. - стр. 169. 2. X. Мейнке, Ф. Гундлах. Радиотехнический справочник. Том.1. - Госэнергоиздат, М.: - 1961, стр.346-347. 3. Патент України № 68723 по МПК Н01Q 7/08 опубл. 09.01.2003 р. 4. Патент України № 68831 по МПК H01Q 7/08 опубл. 06.11.2003 р. 5. Ротхаммель К. Антенны, С-Пт.: «Бояныч», 1998, стр.223-224. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 40 45 1. Спосіб зменшення розмірів лінійних антенних решіток, що включає збудження сусідніх вібраторів, рівними по значенню, але протилежними по фазі струмами, при цьому період решітки вибирають рівним одній восьмій робочої довжини хвилі антенної решітки, який відрізняється тим, що лінійну решітку розміщують над противагою, діаметр противаги вибирають рівним непарній кількості половин робочих довжин хвиль антенної решітки, при цьому у розрив кожного вібратора вводять елементи подовження електричної довжини таким чином, щоб кожний вібратор мав резонанс на робочій частоті антенної решітки при його геометричній довжині, дорівнюючій одній восьмій довжини робочої хвилі антенної решітки, і таким чином формують період решітки, що дорівнює одній восьмій її робочої довжини хвилі, а найближчий до противаги вібратор приєднують до живлячого фідера. 2. Малогабаритна лінійна антенна решітка поперечного випромінювання, що включає активний вібратор, до верхньої частини якого приєднаний ряд утворюючих антенну решітку пасивних вібраторів, при цьому до нижньої частини активного вібратора приєднаний перший провідник живлячого фідера, другий провідник якого приєднаний до центральної частини противаги, яка відрізняється тим, що в розриви активного і пасивних вібраторів паралельно одна до одної включені подовжувальні котушки такої довжини, щоб електричні коливання у вібраторах на робочій частоті антенної решітки виникали при геометричній довжині вібраторів в одну восьму робочої довжини хвилі, а діаметр противаги складає непарну кількість половин робочої довжини хвилі антенної решітки. 3 UA 112110 C2 4 UA 112110 C2 5 UA 112110 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6