RU2054766C1

RU2054766C1 - Antenna system

Info

Publication number: RU2054766C1
Authority: RU
Inventors: Феликс Давидович Шустерман
Original assignee: Феликс Давидович Шустерман
Priority date: 1992-07-21
Filing date: 1992-07-21
Publication date: 1996-02-20

Abstract

FIELD: antenna equipment. SUBSTANCE: parallel radiators 20, 21, 22 of antenna system are composed of outer metal cylinders 2,3,4, central conductors 15,16,17 fitted with horizontal conductors 12,13, 14 at upper ends and metal cylinders 9,10,11 positioned between outer metal cylinders and central conductors. Upper ends of cylinders 2,3,4 and cylinders 9,10,11 are interconnected in pairs. Lower ends of cylinders 9,10,11 are grounded and lower ends of cylinders 2,3,4 are insulated from ground and present inputs of radiators. Oscillator 1 is connected to input of first radiator 20. Lower ends of central conductors insulated from ground are outputs of radiators. Tuning and phasing units 18,19 are placed between radiators. Tuning reactive resistors 5,6,7,8 are connected in parallel to inputs of radiators and to output of last radiator 22. EFFECT: enhanced operational efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к антеннам и может быть использовано для построения антенных систем с электрически короткими излучателями особенно в диапазоне средних, длинных и сверхдлинных волн. The invention relates to antennas and can be used to build antenna systems with electrically short emitters, especially in the range of medium, long and ultra-long waves.

Известна антенна [1] представляющая собой антенную систему, состоящую из ряда параллельных цилиндрических излучателей, внутри которых проходят центральные проводники, причем верхний конец каждого нечетного по счету излучателя соединен с верхним концом центрального проводника, выходящего из последующего четного излучателя, и наоборот. Таким же образом соединены нижние концы каждого четного излучателя и выходящего из него центрального проводника с соответствующими нижними концами и центральными проводниками каждого последующего нечетного излучателя. При этом за счет перекрещивания проводников достигаются однонаправленность излучающего тока и увеличение сопротивления излучения при малых линейных размерах излучателя. The known antenna [1] is an antenna system consisting of a series of parallel cylindrical emitters, inside which the central conductors pass, the upper end of each odd-numbered emitter connected to the upper end of the central conductor emerging from the subsequent even emitter, and vice versa. In the same way, the lower ends of each even emitter and the central conductor emerging from it are connected to the corresponding lower ends and central conductors of each subsequent odd emitter. In this case, due to the crossing of the conductors, the unidirectionality of the emitting current and an increase in the radiation resistance with small linear dimensions of the emitter are achieved.

Недостатком данной антенной системы является то, что распределение тока вдоль электрически коротких излучателей имеет форму трапеции. Кроме того, общая длина таких излучателей не превышает четверть длины рабочей волны, что уменьшает достижимое сопротивление излучения антенны. The disadvantage of this antenna system is that the current distribution along the electrically short emitters is in the form of a trapezoid. In addition, the total length of such emitters does not exceed a quarter of the working wavelength, which reduces the achievable radiation resistance of the antenna.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является сверхдлинноволновая система с малой высотой [2] состоящая из генератора, настроечных реактивных сопротивлений, ряда параллельных полых металлических цилиндрических излучателей, внутри которых проходят центральные проводники, верхние концы которых соединены с горизонтальной частью. В данной системе в качестве излучателей используются излучатели, включенные по схеме верхнего питания. При этом излучающий ток распределен по излучателю практически равномерно, что увеличивает сопротивление излучения. Closest to the technical nature of the invention is a super-long-wave system with a low height [2] consisting of a generator, tuning reactance, a series of parallel hollow metal cylindrical emitters, inside which are the central conductors, the upper ends of which are connected to the horizontal part. In this system, emitters are used as emitters included in the upper power circuit. In this case, the radiating current is distributed evenly throughout the emitter, which increases the radiation resistance.

Недостатком данной антенной системы является то, что при работе на сверхнизких частотах для получения приемлемой полосы пропускания и КПД остается необходимость использования относительно высоких излучателей. The disadvantage of this antenna system is that when operating at ultra-low frequencies to obtain an acceptable bandwidth and efficiency, the need remains to use relatively high emitters.

Задачей изобретения является расширение полосы пропускания антенной системы и повышение КПД. The objective of the invention is to expand the bandwidth of the antenna system and increase efficiency.

Данная задача решается за счет того, что антенная система содержит генератор, настроечные реактивные сопротивления, ряд параллельных наружных металлических цилиндров, внутри которых проходят центральные проводники, верхними концами соединенные с горизонтальными проводами, дополнительные металлические цилиндры, расположенные между каждым наружным металлическим цилиндром и центральным проводником, и устройства настройки и фазирования, причем каждый дополнительный металлический цилиндр в совокупности с центральным проводником, горизонтальными проводами и наружным металлическим цилиндром образуют соответствующие излучатели, входами которых являются изолированные от земли нижние концы наружных цилиндров, а выходами изолированные от земли нижние концы центральных проводников, при этом верхний конец каждого дополнительного цилиндра соединен с верхним концом соответствующего наружного цилиндра, горизонтальные провода излучателей изолированы друг от друга, нижние концы дополнительных цилиндров заземлены, генератор подключен к входу первого излучателя, в каждом излучателе параллельно его входу, а также параллельно выходу последнего излучателя включены настроечные реактивные сопротивления, вход каждого устройства фазирования соединен с выходом предыдущего излучателя, а выход с входом последующего излучателя. This problem is solved due to the fact that the antenna system contains a generator, tuning reactance, a series of parallel outer metal cylinders, inside which are the central conductors, the upper ends connected to horizontal wires, additional metal cylinders located between each outer metal cylinder and the central conductor, and device settings and phasing, with each additional metal cylinder in conjunction with the Central conductor, mountains the umbilical wires and the outer metal cylinder form the corresponding emitters, the inputs of which are the lower ends of the outer cylinders insulated from the ground, and the outputs are the lower ends of the central conductors insulated from the ground, while the upper end of each additional cylinder is connected to the upper end of the corresponding outer cylinder, the horizontal radiator wires are insulated from each other, the lower ends of the additional cylinders are grounded, the generator is connected to the input of the first emitter, in each emitter parallel to its input, as well as parallel to the output of the last emitter included tuning reactance, the input of each phasing device is connected to the output of the previous emitter, and the output to the input of the subsequent emitter.

Если для расчета электрически коротких излучателей принять модель длинной линии с распределенными потерями, обусловленными излучением, то для расчета активной составляющей входного сопротивления антенной системы, взятой за прототип, в верхней точке можно пользоваться следующей формулой:
R_вх W x Re(cth(gH)), где W волновое сопротивление излучателя;
g комплексный коэффициент распространения;
H высота излучателя,
g a + i x b, где a коэффициент затухания;
b коэффициент фазы.If for the calculation of electrically short emitters we accept the model of a long line with distributed losses due to radiation, then to calculate the active component of the input resistance of the antenna system, taken as a prototype, at the upper point, you can use the following formula:
R _I W x Re (cth (gH)), where W is the wave impedance of the emitter;
g integrated distribution coefficient;
H emitter height
ga + ixb, where a is the attenuation coefficient;
b phase coefficient.

Данная формула верна для случая, когда на конце излучателя пучность тока. This formula is true for the case when the current antinode is at the end of the radiator.

Из вышеизложенного следует, что в первом приближении
a n² x a₁, где а₁ коэффициент затухания одиночного излучателя той же высоты;
n число излучателей.It follows from the foregoing that, to a first approximation
an ² xa ₁ , where a _{1 is} the attenuation coefficient of a single emitter of the same height;
n is the number of emitters.

Очевидно, что в предлагаемой антенной системе при соблюдении синфазности питания излучателей при том же количестве элементов n коэффициент затухания в каждом излучателе тоже равен а. Obviously, in the proposed antenna system, subject to the common mode supply of the emitters with the same number of elements n, the attenuation coefficient in each emitter is also equal to a.

С другой стороны, в качестве эквивалентной схемы предлагаемой антенной системы при соответствующей настройке устройств настройки и фазирования и правильном выборе настроечных элементов можно выбрать линию с тем же, что и в прототипе, коэффициентом затухания, но длиной n x H. Этим и обуславливается значительный выигрыш в сопротивлении излучения, полосе и КПД в предлагаемой антенной системе по сравнению с прототипом. On the other hand, as an equivalent circuit of the proposed antenna system with appropriate tuning of the tuning and phasing devices and the correct selection of tuning elements, you can choose a line with the same as in the prototype, the attenuation coefficient, but with a length of nx H. This leads to a significant gain in resistance radiation, band and efficiency in the proposed antenna system compared to the prototype.

На чертеже представлена принципиальная схема антенной системы с тремя излучателями. The drawing shows a schematic diagram of an antenna system with three emitters.

Антенная система содержит генератор 1, настроечные реактивные сопротивления 5-8, ряд параллельных полых наружных металлических цилиндров 2, 3 и 4, внутри которых проходят центральные проводники 15, 16 и 17, верхние концы которых соединены с горизонтальными проводами 12, 13 и 14, дополнительные металлические цилиндры 9, 10 и 11, расположенные между каждым наружным металлическим цилиндром 2, 3, 4 и центральным проводником 15, 16, 17, и устройства 18 и 19 настройки и фазирования. The antenna system contains a generator 1, tuning reactance 5-8, a series of parallel hollow outer metal cylinders 2, 3 and 4, inside which pass the central conductors 15, 16 and 17, the upper ends of which are connected to horizontal wires 12, 13 and 14, additional metal cylinders 9, 10 and 11, located between each outer metal cylinder 2, 3, 4 and the Central conductor 15, 16, 17, and device 18 and 19 settings and phasing.

Каждый дополнительный металлический цилиндр 9, 10, 11 в совокупности с центральными проводниками 15, 16, 17, горизонтальными проводами 12, 13, 14 и наружными металлическими цилиндрами 2, 3, 4 образуют соответствующие излучатели 20, 21, 22, входами которых являются изолированные от земли нижние концы наружных металлических цилиндров, а выходами изолированные от земли нижние концы центральных проводников. Верхний конец каждого дополнительного цилиндра соединен с верхним торцом соответствующего наружного цилиндра, горизонтальные провода излучателей изолированы друг от друга, нижние концы дополнительных цилиндров заземлены. Генератор 1 подключен к входу первого излучателя, в каждом излучателе между его входом и нижним концом дополнительного цилиндра, а также параллельно выходу последнего излучателя включены настроечные реактивные сопротивления 5-8. Вход каждого устройства фазирования соединен с выходом предыдущего излучателя, а выход с входом последующего излучателя. Each additional metal cylinder 9, 10, 11 in combination with the central conductors 15, 16, 17, horizontal wires 12, 13, 14 and the outer metal cylinders 2, 3, 4 form the corresponding emitters 20, 21, 22, the inputs of which are isolated from ground the lower ends of the outer metal cylinders, and outputs insulated from the ground the lower ends of the central conductors. The upper end of each additional cylinder is connected to the upper end of the corresponding outer cylinder, the horizontal wires of the emitters are isolated from each other, the lower ends of the additional cylinders are grounded. Generator 1 is connected to the input of the first emitter, in each emitter between its input and the lower end of the additional cylinder, as well as parallel to the output of the last emitter are tuned reactance 5-8. The input of each phasing device is connected to the output of the previous emitter, and the output to the input of the subsequent emitter.

Устройства 18 и 19 настройки и фазирования (УНФ) включают в себя, например, удлиняющие или укорачивающие фазирующие элементы, выполненные на основе длинных линий или элементов со сосредоточенными параметрами, а также настроечные реактивные сопротивления, включенные последовательно с вышеуказанными элементами. Конструктивно данные элементы могут входить в состав фазирующих элементов. Реактивные сопротивления 5, 6, 7 служат для компенсации входного сопротивления коаксиальных короткозамкнутых линий, образованных цилиндрами 2 и 9, 3 и 10, 4 и 11. Device 18 and 19 settings and phasing (UNF) include, for example, lengthening or shortening the phasing elements made on the basis of long lines or elements with lumped parameters, as well as tuning reactance connected in series with the above elements. Structurally, these elements can be part of the phasing elements. Reactive resistances 5, 6, 7 serve to compensate the input impedance of coaxial short-circuited lines formed by cylinders 2 and 9, 3 and 10, 4 and 11.

Ниже дано описание работы антенной системы из трех излучателей, однако все рассуждения распространяются и на систему из N излучателей. Below is a description of the operation of an antenna system of three emitters, however, all considerations apply to a system of N emitters.

Антенная система работает следующим образом. The antenna system works as follows.

Излучающий ток I₁, создаваемый генератором 1, проходит по наружной поверхности наружного цилиндра 2, затекает внутрь цилиндра 9 и попадает на землю. Далее путь тока следующий: земля емкость горизонтального провода 12 центральный проводник 15 потенциальная клемма входа УНФ поверхность наружного цилиндра 3 внутренняя поверхность цилиндра 10 земля емкость горизонтального провода 13 центральный проводник 16 потенциальная клемма УНФ 19 выходная потенциальная клемма УНФ наружная поверхность наружного цилиндра 4 внутренняя поверхность цилиндра 11 земля заземленная клемма входа УФН 19 земля заземленная клемма УНФ 18 земля заземленная клемма генератора 1.The radiating current I ₁ generated by the generator 1 passes along the outer surface of the outer cylinder 2, flows into the cylinder 9 and lands on the ground. Further, the current path is as follows: ground horizontal wire capacitance 12 central conductor 15 potential terminal of the UNF input outer cylinder surface 3 inner surface of the cylinder 10 earth horizontal wire capacitance 13 central conductor 16 potential UNF terminal 19 potential output terminal of the UNF outer surface of the outer cylinder 4 inner surface of the cylinder 11 ground ground terminal of input UFN 19 ground ground terminal of UNF 18 earth ground terminal of generator 1.

Таким образом, из вышеизложенного видно, что излучающий ток, затухая, проходит последовательно через все излучатели, наружные цилиндры 2, 3, 4. Все излучатели включены по схеме Брауна (Пистолькорс А.А. Антенны, М. Связьиздат, 1947, с. 280, рис. 5.3.8), когда между горизонтальными проводами и верхним концом излучателя включено реактивное сопротивление, равное по величине и противоположенное по знаку величине емкостного сопротивления горизонтальных проводов относительно земли. В описываемой антенне в качестве данного реактивного сопротивления используется входное сопротивление коаксиальной линии образованной центральным проводником и внутренним цилиндром (на чертеже это 9 и 15, 10 и 16, 11 и 17), нагруженной на другом конце на входное сопротивление соответствующего устройства настройки и фазирования. В последнем излучателе 22 для этой цели служит реактивное сопротивление 8. В заданном режиме пучность излучающего тока в последнем излучателе находится на верхнем конце наружного цилиндра. При электрически коротких излучателях распределение тока по их поверхностям почти равномерно. Устройства настройки и фазирования производят трансформацию входного сопротивления каждого последующего излучающего элемента в такую величину, чтобы обеспечить пучность тока в верхней точке каждого предыдущего излучателя. Устройство настройки и фазирования также производит компенсацию фазового набега излучающего тока между входами соседних излучающих элементов, а также дополнительную компенсацию. Thus, it can be seen from the foregoing that the emitting current, decaying, passes sequentially through all the emitters, the outer cylinders 2, 3, 4. All emitters are turned on according to the Brown scheme (Pistolkors A.A. Antennas, M. Svyazizdat, 1947, p. 280 , Fig. 5.3.8), when reactance is included between the horizontal wires and the upper end of the emitter, equal in magnitude and opposite in sign to the capacitance of the horizontal wires relative to the ground. In this antenna, as this reactance, the input impedance of the coaxial line formed by the central conductor and the inner cylinder (in the drawing it is 9 and 15, 10 and 16, 11 and 17), loaded at the other end to the input impedance of the corresponding tuning and phasing device, is used. In the last emitter 22, reactance 8 serves for this purpose. In a given mode, the antinode of the radiating current in the last emitter is at the upper end of the outer cylinder. With electrically short emitters, the distribution of current over their surfaces is almost uniform. The tuning and phasing devices transform the input impedance of each subsequent radiating element to such a value as to ensure the current antinode at the top of each previous radiator. The tuning and phasing device also compensates for the phase incursion of the radiating current between the inputs of adjacent radiating elements, as well as additional compensation.

Claims

ANTENNA SYSTEM containing a generator, tuning reactances, a series of parallel emitters, each of which consists of an external metal cylinder, in which a central conductor is placed, equipped with a horizontal conductor at the upper end, characterized in that an additional metal cylinder is inserted into each emitter located between the outer metal cylinder and the Central conductor, and the upper ends of these cylinders are interconnected, and the lower end of the additional metallic of the cylinder is grounded in each emitter, the lower ends of the outer metal cylinder and the central conductor are isolated from the Earth and represent the emitter's input and output, respectively, the horizontal emitter conductors are isolated from each other, in addition, tuning and phasing devices are introduced, the input of each of which is connected to the output of the previous emitter, and the output with the input of the subsequent one, the generator is connected to the input of the first emitter, and the tuning reactance is connected in parallel to the input emitters and parallel with the output of the last radiator.