RU2057386C1

RU2057386C1 - Antenna system

Info

Publication number: RU2057386C1
Application number: RU93053450/09A
Authority: RU
Inventors: Феликс Давидович Шустерман
Original assignee: Феликс Давидович Шустерман
Priority date: 1993-12-07
Filing date: 1993-12-07
Publication date: 1996-03-27

Abstract

FIELD: antennas. SUBSTANCE: antenna system parallel radiators 20-22 have external metal cylinders 2-4, central conductors 15-17 provided with horizontal conductors 12-14 on upper ends, and metal cylinders 9-11 placed between external metal cylinders and central conductors. Upper ends of cylinders 2-4 and those of cylinders 9-11 are interconnected in pairs. Lower ends of cylinders 2-4 and those of cylinders 9-11 are insulated from ground and function as inputs and outputs of radiators, respectively. Generator 1 is connected to input of first radiator 20. Adjusting and phasing devices 18 and 19 are inserted between radiators. Adjusting reactances 5-8 are connected between radiator inputs and outputs and in parallel to last radiator 22. EFFECT: improved design. 1 dwg

Description

Изобретение касается антенн 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 (патент Великобритании N 2076226, кл. Н 01 Q 9/00, 1981), 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 достигается однонаправленность излучающего тока и увеличение сопротивления излучения при малых линейных размерах излучателей. A known antenna (UK patent N 2076226, class N 01 Q 9/00, 1981), which is an antenna system consisting of a series of parallel cylindrical emitters, inside which are the central conductors, and the upper end of each odd-numbered emitter connected to the upper end 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 emitters 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 к изобретению является сверхдлинновoлновая система с малой высотой (патент США N 3984839, кл. Н 01 Q 9/18), 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 invention is a super-long wavelength system with a low height (US patent N 3984839, class H 01 Q 9/18), 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 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 дополнительных цилиндров, при этом верхний конец каждого дополнительного цилиндра соединен с верхним концом соответствующего наружного цилиндра, горизонтальные провода излучателей изолированы друг от друга, нижние концы центральных проводников заземлены, генеpатор подключен к входу первого излучателя, в каждом излучателе между его входом и выходом, 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 additional cylinders 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 central conductors are grounded, the generator is connected to the input of the first emitter, in each zluchatele between its input and output, as well as parallel with the output of the last radiator includes tuning reactance, each input device connected to the output of the phasing 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:
Rвх W·Re(cth(gH)) (1) где W волновое сопротивление излучателя;
g комплексный коэффициент распространения;
Н высота излучателя.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:
Rin W · Re (cth (gH)) (1) where W is the wave impedance of the emitter;
g integrated distribution coefficient;
H the height of the emitter.

g a + i·b, (2) где а коэффициент затухания;
b коэффициент фазы.ga + i · b, (2) 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 формуле (1) в первом приближении
а n² ·a1, (3) где а1 коэффициент затухания одиночного излучателя той же высоты;
n число излучателей.From the above it follows that in the formula (1) in a first approximation
a n ² · a1, (3) where a1 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 power supply of the emitters, with the same number of elements n, the attenuation coefficient in each emitter is also equal to a.

Кроме того, 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·H. Этим и обуславливается значительный выигрыш в сопротивлении излучения, полосе и КПД в предлагаемой антенной системе по сравнению с прототипом. In addition, as an equivalent circuit of the proposed antenna system with the appropriate settings 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 the length n · H. This leads to a significant gain in radiation resistance, bandwidth and efficiency in the proposed antenna system compared to the prototype.

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемой системы с тремя излучателями. The drawing shows a schematic diagram of the proposed system with three emitters.

Антенная система содержит генератор 1, настроечные реактивные сопротивления 5-8, ряд параллельных полых наружных металлических цилиндров 2-4, внутри которых проходят центральные проводники 15-17, верхние концы которых соединены с горизонтальными проводами 12-14, дополнительные металлические цилиндры 9-11, расположенные между каждым наружным металлическим цилиндром 2-4 и центральным проводником 15-17, и устройства настройки и фазирования (УНФ) 18 и 19. Каждый дополнительный металлический цилиндр 9-11 в совокупности с центральными проводниками 15-17, горизонтальными проводами 12-14 и наружными металлическими цилиндрами 2-4 образуют соответствующие излучатели 20-22, входами которых являются изолированные от земли нижние концы наружных металлических цилиндров, а выходами изолированные от земли нижние концы дополнительных цилиндров. The antenna system contains a generator 1, tuning reactance 5-8, a series of parallel hollow outer metal cylinders 2-4, inside which are the central conductors 15-17, the upper ends of which are connected to horizontal wires 12-14, additional metal cylinders 9-11, located between each outer metal cylinder 2-4 and the central conductor 15-17, and the tuning and phasing (UNF) devices 18 and 19. Each additional metal cylinder 9-11 in combination with the central conductors 15-17, burn the umbilical wires 12-14 and the outer metal cylinders 2-4 form the corresponding emitters 20-22, the inputs of which are the lower ends of the outer metal cylinders insulated from the ground, and the lower ends of the additional cylinders isolated from the ground.

Верхний конец каждого дополнительного цилиндра соединен с верхним концом соответствующего наружного цилиндра, горизонтальные провода излучателей изолированы друг от друга, нижние концы внутренних проводников заземлены, генератор 1 подключен к входу первого излучателя, в каждом излучателе между его входом и выходом, 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. 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 internal conductors are grounded, the generator 1 is connected to the input of the first emitter, in each emitter between its input and output, and also parallel to the output of the last emitter tuning reactances 5-8 are included, 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 включают, 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. The tuning and phasing devices 18 and 19 include, for example, extending or shortening phasing elements based on long lines or elements with lumped parameters, as well as tuning reactances connected in series with the above elements. Structurally, these elements can be part of the phasing elements.

Реактивные сопротивления 5-7 служат для компенсации входного сопротивления коаксиальных короткозамкнутых линий, образованных цилиндрами 2 и 9, 3 и 10, 4 и 11, и уменьшают влияние этих линий на работу антенной системы. Resistors 5-7 serve to compensate the input resistance of coaxial short-circuited lines formed by cylinders 2 and 9, 3 and 10, 4 and 11, and reduce the influence of these lines on the operation of the antenna system.

Ниже дано описание работы антенной системы из 3-х излучателей, однако все рассуждения распространяются и на систему из N излучателей. Below is a description of the operation of an antenna system of 3 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, попадает на потенциальную клемму УНФ 18 и через его входную цепь на землю. Далее путь тока следующий: земля центральный проводник 15 емкость горизонтального провода 12 земля. Рассматриваемый ток, пройдя через УНФ 18, с его выходных клемм попадает на вход второго излучателя, а с его выхода через УНФ 19 на вход третьего излучателя. The radiating current I1 generated by the generator 1 passes along the outer surface of the outer cylinder 2, flows into the inside of the cylinder 9, and enters the potential terminal of the UNF 18 and to the ground through its input circuit. Further, the current path is as follows: earth central conductor 15 horizontal wire capacitance 12 earth. The considered current, passing through the UNF 18, from its output terminals goes to the input of the second emitter, and from its output through the UNF 19 to the input of the third emitter.

Таким образом, из вышеизложенного видно, что излучающий ток, затухая, проходит последовательно через все излучатели и наружные цилиндры 2-4. На чертеже видно, что все излучатели включены по схеме Брауна, когда между горизонтальными проводами и верхним концом излучателя включено реактивное сопротивление, равное по величине и противоположное по знаку емкостному сопротивлению 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 поз. 9 и 15, 10 и 16, 11 и 17), и 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 будет почти равномерным. 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, from the foregoing, it can be seen that the emitting current, fading, passes sequentially through all the emitters and the outer cylinders 2-4. The drawing shows that all the emitters are turned on according to the Brown scheme, when a reactance equal in magnitude and opposite in sign to the capacitive resistance of the horizontal wires relative to the ground is turned on between the horizontal wires and the upper end of the emitter. In this antenna, as a given reactance, the input impedance of the coaxial line formed by the central conductor and the inner cylinder (in the drawing it is poses 9 and 15, 10 and 16, 11 and 17) and loaded at the other end to the input impedance of the corresponding tuning device is used and phasing. 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 will be 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 reactance, a series of parallel emitters, each of which consists of an external metal cylinder, inside which a central conductor is placed, the central conductors are provided with horizontal conductors 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, lower The outer and additional metal cylinders are isolated from the ground and are respectively the inputs and outputs of the emitters, the lower ends of the central conductors are grounded, the horizontal conductors of the emitters are isolated from each other, tuning and phasing devices are introduced, the input of each of which is connected to the output of the previous emitter, and the output is with the input of the subsequent one, the generator is connected to the input of the first emitter, and the tuning reactance is connected between the input and output in each emitter and the parallel It’s the exit of the latter.