RU2134923C1

RU2134923C1 - Coaxial dipole and cophasal antenna array built up of coaxial dipoles

Info

Publication number: RU2134923C1
Application number: RU98119782A
Authority: RU
Inventors: С.М. Алексеев; И.В. Петров; О.В. Попов; А.В. Терентьев; Л.А. Холодкова; В.П. Чернолес
Original assignee: Военная академия связи
Priority date: 1998-11-02
Filing date: 1998-11-02
Publication date: 1999-08-20

Abstract

FIELD: antenna engineering; transmitting and receiving antennas for communication with non- oriented distant stations. SUBSTANCE: coaxial dipole has three metal cylinders mounted coaxially with insulating gaps between them. Metal rod is coaxially installed inside dipole. Two metal sleeves are coaxially installed on metal cylinder. Coaxial feeder is connected to metal cylinder edges of insulating gap. Cophasal antenna array has N coaxial dipoles coaxially mounted on common metal rod and connected in cascade and differentially to each other. Relationships for geometric dimensions of structural members ensuring optimal design of dipole are given in description of invention. EFFECT: improved gain of dipole and antenna array as a whole. 4 cl, 13 dwg

Description

Изобретения относятся к области радиотехники, а именно к антенной технике и, в частности заявленные устройства могут использоваться в качестве ненаправленных в азимутальной плоскости приемно-передающих антенн ультракоротковолнового (УКВ) диапазона для связи с неориентированными в азимутальной плоскости корреспондентами. The invention relates to the field of radio engineering, namely to antenna technology and, in particular, the claimed devices can be used as non-directional in the azimuthal plane of the receiving and transmitting antennas of ultrashort-wave (VHF) range for communication with non-oriented in the azimuthal plane correspondents.

Известны ненаправленные УКВ вибраторы, описанные, например в книге: Гвоздев И. Н. и др. Характеристики антенн радиосистем связи. Л., ВАС, с. 185-191. Известные антенны представляют собой различные конструкции несимметричных вибраторов с противовесами, устанавливаемые на мачтах. Они имеют ненаправленные характеристики излучения (приема), что обеспечивает возможность их использования в сетях с подвижными корреспондентами. Non-directional VHF vibrators are known, described, for example, in the book: Gvozdev I.N. et al. Characteristics of antennas of radio communication systems. L., YOU, p. 185-191. Known antennas are various designs of asymmetric counterbalanced vibrators mounted on the masts. They have non-directional characteristics of radiation (reception), which ensures the possibility of their use in networks with mobile correspondents.

Однако известные аналоги имеют низкий коэффициент усиления (КУ). However, the known analogues have a low gain (KU).

Известен также коаксиальный вибратор, описанный в книге: Вершков М.В., Миротворский О. Б. Судовые антенны. Л., Судостроение, 1990, с. 191, рис. 6.3б. Коаксиальный вибратор состоит из двух металлических цилиндров, установленных соосно, во внутренней полости которых размещен металлический стержень. Also known is the coaxial vibrator described in the book: Vershkov M.V., Mirotovsky O.B. Ship antennas. L., Shipbuilding, 1990, p. 191, fig. 6.3b. The coaxial vibrator consists of two metal cylinders mounted coaxially, in the inner cavity of which a metal rod is placed.

Однако известный коаксиальный вибратор имеет относительно невысокое значение КУ, что объясняется невозможностью его согласования с приемлемым качеством при одновременной реализации максимального значения коэффициента направленного действия (КНД). However, the known coaxial vibrator has a relatively low KU value, which is explained by the impossibility of matching it with acceptable quality while realizing the maximum value of the coefficient of directional action (KND).

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному является коаксиальный вибратор по Патенту РФ N 2101810, МПК H 01 Q 918, заявл. 19.02.96, опубл. 10.01.98 Бюл. N 1. The closest in its technical essence to the claimed is a coaxial vibrator according to the RF Patent N 2101810, IPC H 01 Q 918, declared. 02/19/96, publ. 01/10/98 Bull. N 1.

Антенна-прототип состоит из двух соосно установленных с диэлектрическим зазором металлических цилиндров (МЦ) и коаксиально размещенного в их внутренней полости металлического стержня (МСт). В верхней МЦ установлен отрезок двухпроводной линии, подключенный нижним концом к коаксиальному фидеру, а верхним: одним проводом к МСт, а другим - через отверстие в МЦ к его внешней поверхности. При таком исполнении достигается более высокое качество согласования и, следовательно, более высокий КУ. The prototype antenna consists of two metal cylinders (MC) coaxially mounted with a dielectric gap and a metal rod (MCT) coaxially placed in their internal cavity. A segment of a two-wire line is installed in the upper MC, connected by the lower end to the coaxial feeder, and the upper: one wire to the MCT, and the other through a hole in the MC to its outer surface. With this design, a higher quality of coordination is achieved and, therefore, a higher quality factor.

Однако известный коаксиальный вибратор имеет относительно узкую полосу рабочих частот, что объясняется высокой добротностью вибратора, т.к. длина его плеч составляет примерно половину рабочей длины волны, т.е. вибратор работает в области параллельного резонанса. However, the known coaxial vibrator has a relatively narrow band of operating frequencies, which is explained by the high quality factor of the vibrator, because the length of his shoulders is about half the working wavelength, i.e. the vibrator operates in the area of parallel resonance.

Известны синфазные антенные решетки из коаксиальных вибраторов, описанные, например, в работе: Jean-Fu Kiang "Analysis of Linear Coaxial Antennas", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 46, N 5, May 1998, pp. 636-642, Fig. 1
Известная антенная решетка состоит из N соосно установленных отрезков коаксиальных линий, включенных каскадно и инверсно друг с другом. Последний коаксиальный отрезок подключен к нагрузке, равной волновому сопротивлению коаксиального отрезка. Благодаря инверсному включению достигается синфазность возбуждения соответствующих зазоров между примыкающими коаксиальными отрезками. Включение нагрузочного сопротивления, равного волновому, обеспечивает приемлемое качество согласования антенной решетки.Known in-phase antenna arrays of coaxial vibrators are described, for example, in: Jean-Fu Kiang "Analysis of Linear Coaxial Antennas", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 46, No. 5, May 1998, pp. 636-642, Fig. 1
Known antenna array consists of N coaxially mounted segments of coaxial lines connected in cascade and inverse to each other. The last coaxial segment is connected to a load equal to the wave impedance of the coaxial segment. Due to the inverse inclusion, the phase matching of the excitation of the corresponding gaps between adjacent coaxial segments is achieved. The inclusion of load impedance equal to the wave, provides an acceptable quality matching antenna array.

Однако известный аналог имеет недостатки. Относительно низкий КПД из-за необходимости включения активной нагрузки, на которой рассеивается практически половина подводимый ко входу антенной решетки мощности. Невысокий коэффициент направленного действия (КНД) в силу того, что при такой схеме включения не обеспечивается равноамплитудное возбуждение элементов антенной решетки. However, the known analogue has disadvantages. Relatively low efficiency due to the need to include an active load, on which almost half of the power supplied to the input of the antenna array is dissipated. Low coefficient of directional action (KND) due to the fact that with such a switching circuit, equal-amplitude excitation of the elements of the antenna array is not provided.

Наиболее близкий по своей технической сущности к заявленной является известная синфазная антенная решетка из коаксиальных вибраторов, описанная в книге: М.В. Вершков, О.Б. Миротворский Судовые антенны. - Л.: изд. Судостроение, 1990, с. 193-194, рис. 6.5. Closest in technical essence to the claimed one is the well-known in-phase antenna array of coaxial vibrators described in the book: M.V. Vershkov, O.B. Mirotovsky Ship antennas. - L .: ed. Shipbuilding, 1990, p. 193-194, fig. 6.5.

Синфазная антенная решетка-прототип состоит из N, где N≥2 (на рис. 6.5. N = 3) коаксиальных вибраторов, закрепленных соосно на общем металлическом стержне, выполненном полым. Каждый коаксиальный вибратор (КВ) выполнен в виде двух соосно установленных с диэлектрическим зазором МЦ, во внутренних полостях которых коаксиально размещен МСт. Верхние кромки МЦ каждого нечетного КВ, и нижние кромки каждого четного КВ кондуктивно связаны с МСт. В полости МСт размещен коаксиальный фидер, экранная оболочка которого подключена к МСт, а центральный проводник - через отверстия в МСт в каждом КВ подключен к кромке его МЦ, не связанной с МСт и примыкающей к диэлектрическому зазору между МЦ. The prototype in-phase antenna array consists of N, where N≥2 (in Fig. 6.5. N = 3) of coaxial vibrators mounted coaxially on a common hollow metal rod. Each coaxial vibrator (HF) is made in the form of two coaxially mounted with a dielectric gap MC, in the internal cavities of which MCT is coaxially placed. The upper edges of the MC of each odd HF, and the lower edges of each even HF are conductively connected to the MST. A coaxial feeder is placed in the cavity of the MCT, the screen shell of which is connected to the MCT, and the central conductor, through holes in the MCT in each HF, is connected to the edge of its MC that is not connected to the MCT and is adjacent to the dielectric gap between the MCs.

Однако известная синфазная антенная решетка имеет недостаточно высокую направленность в вертикальной плоскости (плоскости "E") из-за сильной электромагнитной связи между парами коаксиальных вибраторов, примыкающих друг к другу кромками цилиндров, кондуктивно связанными с металлическим стержнем. Это приводит к нарушению равноамплитудности питания вибраторов, т. е. к расширению лепестков диаграммы направленности (ДН) в плоскости "E". However, the known in-phase antenna array does not have a high enough directivity in the vertical plane (plane "E") due to the strong electromagnetic coupling between the pairs of coaxial vibrators adjacent to each other by the edges of the cylinders, conductively connected to a metal rod. This leads to a violation of the equal-amplitude power supply of the vibrators, that is, to the expansion of the lobes of the radiation pattern (MD) in the plane "E".

Целью изобретений является разработка одиночного коаксиального вибратора, обеспечивающего расширение диапазона рабочих частот с приемлемым качеством согласования, и построение на основе таких коаксиальных вибраторов синфазной антенной решетки, обладающей при заданном числе вибраторов более высоким значением коэффициента направленного действия (КНД) за счет сужения ДН в плоскости "E". The aim of the invention is the development of a single coaxial vibrator, providing an extension of the operating frequency range with an acceptable matching quality, and the construction on the basis of such coaxial vibrators of a common-mode antenna array, having for a given number of vibrators a higher value of the directivity coefficient (KND) due to narrowing the beam in the plane " E ".

Поставленная цель в одиночном вибраторе достигается тем, что в известном коаксиальном вибраторе, содержащем первый и второй МЦ каждый длиной l₁, установленные соосно и одним из торцов кондуктивно связанные МСт, коаксиально размещенным в их внутренних полостях, и коаксиальный фидер, экранная оболочка которого подключена к МСт, дополнительно введен третий МЦ длиной l₂, и два металлических стакана (МС) длиной l₃ каждый. Третий МЦ установлен с диэлектрическими зазорами между первым и второй МЦ и соосно с ними. С металлическим стержнем кондуктивно связаны кромки первого и второго МЦ, примыкающие в диэлектрическим зазорам.The goal in a single vibrator is achieved by the fact that in the known coaxial vibrator containing the first and second MC each of length l ₁ , conductively connected MCT installed coaxially and one of the ends, coaxially placed in their internal cavities, and a coaxial feeder, the screen shell of which is connected to Mt, additionally introduced the third MC with a length of l ₂ and two metal cups (MS) with a length of l ₃ each. The third MC is installed with dielectric gaps between the first and second MC and coaxially with them. The edges of the first and second MCs adjacent to the dielectric gaps are conductively connected to the metal rod.

Во внутренних полостях металлических стаканов коаксиально установлены МЦ. Основание первого МС подключено кондуктивно к первому МЦ, а основание второго МС - ко второму МЦ. In the internal cavities of the metal cups, MCs are coaxially mounted. The base of the first MS is conductively connected to the first MC, and the base of the second MS is connected to the second MC.

Первый и второй диэлектрические зазоры между МЦ расположены в пределах внутренних полостей соответственно первого и второго МС. Коаксиальный фидер подключен у первого диэлектрического зазора экранной оболочкой и центральным проводником к кромкам соответственно первого и третьего металлических цилиндров. The first and second dielectric gaps between the MC are located within the internal cavities of the first and second MS, respectively. The coaxial feeder is connected at the first dielectric gap by the screen sheath and the central conductor to the edges of the first and third metal cylinders, respectively.

Длина третьего МЦ выбрана в пределах l₂ = (0,4...0,6) λ_ср, где λ_ср - средняя длина волны рабочего диапазона волн. Отношение длин первого (второго) и третьего МЦ составляет l₁/l₂ = (0,48...0,52). Длина каждого из металлических стаканов соотносится с длиной первого (второго) МЦ как l₃/l₁ = 0,5. . . 1,2. Расстояние l_кз от основания первого (второго) МС до середины соответствующего ему диэлектрического зазора соотносится с длиной МС в пределах l_кз/l₃ = 0,2...0,9.The length of the third MC is selected in the range l ₂ = (0.4 ... 0.6) λ _cf , where λ _cf is the average wavelength of the working wavelength range. The ratio of the lengths of the first (second) and third MC is l ₁ / l ₂ = (0.48 ... 0.52). The length of each of the metal glasses is correlated with the length of the first (second) MC as l ₃ / l ₁ = 0.5. . . 1,2. The distance l _kz from the base of the first (second) MS to the middle of the corresponding dielectric gap corresponds to the length of the MS within l _kz / l ₃ = 0.2 ... 0.9.

Поставленная цель в антенной решетке достигается тем, что в известной синфазной антенной решетке, состоящей из N, где N ≥ 2 соосно установленных коаксиальных вибраторов, закрепленных на общем полом металлическом стержне (МСт), каждый из которых содержит первый и второй металлические цилиндры (МЦ), установленные соосно и одним из торцов кондуктивно связанные с МСт, коаксиально размещенным в их внутренних полостях, и коаксиальный фидер, экранная оболочка которого подключена к МСт, а центральный проводник к кромке одного из МЦ первого коаксиального вибратора (КВ), дополнительно к каждый КВ введены третий МЦ и по два металлических стакана (МС). В каждом КВ третий МЦ установлен с диэлектрическими зазорами между его первым и вторым МЦ соосно с ними. Первый и второй МЦ каждого КВ кондуктивно связаны с МСт кромками, примыкающими к кромкам его третьего МЦ. Во внутренних полостях МС каждого КВ коаксиально установлены его МЦ. Основания первого и второго МС в каждом КВ подключены соответственно к его первому и второму МЦ. Первый и второй диэлектрические зазоры между МЦ в каждом КВ расположены в пределах внутренних полостей соответственно его первого и второго МС. Во внутренней полости МС в интервалах между примыкающими друг к другу кромками третьих МЦ каждой пары смежных КВ коаксиально установлены отрезки проводников, концы которых подключены к примыкающим кромкам этих третьих МЦ. Коаксиальный фидер подключен у первого диэлектрического зазора первого КВ экранной оболочкой и центральным проводником к кромкам его соответственно первого и третьего МЦ. The goal in the antenna array is achieved by the fact that in the well-known common-mode antenna array, consisting of N, where N ≥ 2 coaxially mounted coaxial vibrators mounted on a common hollow metal rod (MCT), each of which contains the first and second metal cylinders (MC) installed coaxially and one of the ends conductively connected with the MCT, coaxially placed in their internal cavities, and a coaxial feeder, the screen shell of which is connected to the MCT, and the central conductor to the edge of one of the MC of the first coax nogo vibrator (HF) in addition to HF administered every third MP and two metal cup (MS). In each HF, the third MC is installed with dielectric gaps between its first and second MC coaxially with them. The first and second MCs of each HF are conductively connected with the MCT edges adjacent to the edges of its third MC. In the internal cavities of the MS of each HF, its MCs are coaxially installed. The bases of the first and second MS in each HF are connected respectively to its first and second MC. The first and second dielectric gaps between the MCs in each HF are located within the internal cavities of its first and second MS, respectively. In the internal cavity of the MC in the intervals between the adjacent edges of the third MCs of each pair of adjacent HF coaxial sections of conductors are installed, the ends of which are connected to the adjacent edges of these third MCs. The coaxial feeder is connected at the first dielectric gap of the first HF with a screen sheath and a central conductor to the edges of its first and third MCs, respectively.

В каждом КВ длина l₂ третьего МЦ выбрана в пределах (0,4...0,6) λ_ср, где λ_ср - средняя длина волны рабочего диапазона волн. Длины l₁ первого и второго МЦ равны. Отношение длины l₁ первого (второго) и длины l₂ третьего МЦ выбрано в интервале l₁/l₂ = 0,48...0,52. Длина l₃ МС соотносится с длиной l₁ первого (второго) МЦ как l₃/l₁ = 0,5...1,2. Соотношение расстояния l_кз от основания каждого из МС до середины соответствующего ему диэлектрического зазора и длины l₃ МС выбрано в пределах l_кз/l₃ = 0,2...0,9.In each HF, the length l _{2 of the} third MC is selected in the range (0.4 ... 0.6) λ _cf , where λ _cf is the average wavelength of the working wave range. The lengths l _{1 of the} first and second MC are equal. The ratio of the length l _{1 of the} first (second) and the length l _{2 of the} third MC is selected in the interval l ₁ / l ₂ = 0.48 ... 0.52. The length l ₃ MS corresponds with the length l _{1 of the} first (second) MC as l ₃ / l ₁ = 0.5 ... 1.2. The ratio of the distance l _KZ from the base of each of the MSs to the middle of the corresponding dielectric gap and the length l ₃ MSs is selected within the limits of l _KZ / l ₃ = 0.2 ... 0.9.

В коаксиальном вибраторе благодаря введению третьего МЦ и МС достигается распределенное питание вибратора в двух сечениях, чем обеспечивается возможность его работы в области первого последовательного резонанса при одновременном достижении равномерного распределения амплитудного тока и, следовательно, расширении рабочего диапазона частот. Thanks to the introduction of the third MC and MS, in a coaxial vibrator, a distributed vibrator power supply in two sections is achieved, which makes it possible to work in the region of the first series resonance while achieving a uniform distribution of the amplitude current and, therefore, expanding the working frequency range.

Синфазная антенная решетка, выполненная на основе таких коаксиальных вибраторов позволяет достичь их практически полной развязки и сохранения синфазности и равноамплитудности возбуждения, чем обуславливается более высокая направленность антенны в азимутальной плоскости. An in-phase antenna array based on such coaxial vibrators allows them to be almost completely decoupled and to maintain in-phase and uniform-amplitude excitation, which causes a higher directivity of the antenna in the azimuthal plane.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризирующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленных коаксиального вибратора и синфазной антенной решетки, отсутствуют. Следовательно, каждое из заявленных изобретений соответствует условию патентоспособности "новизна". The analysis of the prior art carried out by the applicant made it possible to establish that there are no analogs characterized by sets of features identical to all the features of the claimed coaxial vibrator and in-phase antenna array. Therefore, each of the claimed inventions meets the condition of patentability "novelty."

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками каждого заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками каждого из заявленных изобретений на достижение указанного технического результата. Следовательно, каждое из заявленных изобретений соответствует условно патентоспособности "изобретательский уровень". The search results for known solutions in this and related fields of technology in order to identify features that match the distinctive features of the prototypes of each claimed invention have shown that they do not follow explicitly from the prior art. From the prior art determined by the applicant, the popularity of the influence of the essential features of each of the claimed inventions on the achievement of the specified technical result is not revealed. Therefore, each of the claimed inventions corresponds to the conditionally patentability "inventive step".

Заявленные устройства иллюстрируются чертежами, на которых показано:
Фиг. 1 - общий вид одиночного коаксиального вибратора;
Фиг. 2 - общий вид синфазной антенной решетки, из коаксиальных вибраторов;
Фиг. 3 - рисунки, поясняющие работу коаксиального вибратора;
Фиг. 4 - эквивалентная схема коаксиального вибратора;
Фиг. 5 - эквивалентная схема синфазной антенной решетки;
Фиг. 6 - результаты экспериментальных измерений качества согласования коаксиального вибратора;
Фиг. 7 - экспериментальные диаграммы направленности синфазной антенной решетки, из коаксиальных вибраторов.The claimed device is illustrated by drawings, which show:
FIG. 1 is a general view of a single coaxial vibrator;
FIG. 2 is a general view of a common-mode antenna array of coaxial vibrators;
FIG. 3 - figures illustrating the operation of a coaxial vibrator;
FIG. 4 is an equivalent circuit of a coaxial vibrator;
FIG. 5 - equivalent circuit in-phase antenna array;
FIG. 6 - the results of experimental measurements of the quality of matching coaxial vibrator;
FIG. 7 - experimental radiation patterns of a common-mode antenna array, made of coaxial vibrators.

Заявленный коаксиальный вибратор, показанный на фиг. 1, состоит из первого 1 и второго 2 металлических цилиндров (МЦ) каждый длиной l₁, между которыми соосно с ними установлен с диэлектрическими зазорами " Δ " третий МЦ 3 длиной l₂. Во внутренних полостях МЦ размещен коаксиально металлический стержень (МСт) 4.The claimed coaxial vibrator shown in FIG. 1, consists of the first 1 and second 2 metal cylinders (MC) each of length l ₁ , between which a third MC 3 of length l _{2 is} coaxially mounted with them with dielectric gaps Δ. In the internal cavities of the MC there is a coaxial metal rod (MCT) 4.

Коаксиально с МЦ установлены первый 5 и второй 6 металлические стаканы (МС), длиной l₃ каждый. Металлические стаканы установлены таким образом, что диэлектрические зазоры между торцами первого 1 и третьего 3 МЦ и между торцами второго 2 и третьего 3 МЦ находятся во внутренних полостях соответственно первого 5 и второго 6 МС. Основания первого 5 и второго 6 МС кондуктивно связаны соответственно с первым 1 и вторым 2 МЦ (точки "a"). Примыкающие к диэлектрическим зазорам торцы первого 1 и второго 2 МЦ подключены кондуктивно к МСт 4 (точки "б"). Коаксиальный фидер 7 подключен у первого диэлектрического зазора экранной оболочкой 8 к МСт 4 (точки "б"), а центральным проводником 9 через отверстие в МСт 4 - к торцу третьего МЦ 3 (точка "в"). Расстояние l_кз от основания МС 5 (МС6) до середины диэлектрического зазора составляет l_кз = (0,2....0,9) l₃. Длина третьего МЦ 3 выбрана в пределах (0,4...0,6)λ_ср, где λ_ср - средняя длина волны рабочего диапазона волн. Отношение длины l₁ первого 1 (второго 2) МЦ к длине l₂ третьего МЦ 3 выбрано в интервале l₁/l₂ = 0,48...0,52. Соотношение длины l₃ МС и длины l₁ первого 1 (второго 2) МЦ составляет l₃/l₁ = 0,5...1,2. Внутренний D₂ и внешний D₂ диаметры трех металлических цилиндров 1, 2, 3, внутренний диаметр D₃ металлических стаканов 5, 6 и внешний диаметр МСт 4 D₁ выбирают из условия достижения приемлемого качества согласования коаксиального вибратора в наибольшей полосе рабочих частот при заданном значении волнового сопротивления ρ_ф коаксиального фидера 7.Coaxially with the MC installed the first 5 and second 6 metal glasses (MC), length l ₃ each. Metal cups are installed in such a way that the dielectric gaps between the ends of the first 1 and third 3 MCs and between the ends of the second 2 and third 3 MCs are located in the internal cavities of the first 5 and second 6 MS, respectively. The bases of the first 5 and second 6 MS are conductively connected with the first 1 and second 2 MCs, respectively (points "a"). The ends of the first 1 and second 2 MC adjacent to the dielectric gaps are connected conductively to MCT 4 (points "b"). Coaxial feeder 7 is connected at the first dielectric gap by the screen sheath 8 to MCT 4 (points "b"), and the central conductor 9 through the hole in MCT 4 to the end face of the third MC 3 (point "c"). The distance l _KZ from the base of MS 5 (MS6) to the middle of the dielectric gap is l _KZ = (0.2 .... 0.9) l ₃ . The length of the third MC 3 is selected in the range (0.4 ... 0.6) λ _cf , where λ _cf is the average wavelength of the operating wavelength range. The ratio of the length l _{1 of the} first 1 (second 2) MC to the length l _{2 of the} third MC 3 is selected in the interval l ₁ / l ₂ = 0.48 ... 0.52. The ratio of the length l ₃ MS and the length l _{1 of the} first 1 (second 2) MC is l ₃ / l ₁ = 0.5 ... 1.2. The inner D ₂ and outer D ₂ diameters of the three metal cylinders 1, 2, 3, the inner diameter D _{3 of the} metal cups 5, 6 and the outer diameter of the MCT 4 D ₁ are selected from the condition of achieving an acceptable matching quality of the coaxial vibrator in the largest operating frequency band at a given value impedance ρ _{f of the} coaxial feeder 7.

Заявленная синфазная антенная решетка, показанная на фиг. 2, в общем случае состоит из N идентичных, соосно установленных с диэлектрическими зазорами коаксиальных вибраторов (на фиг. 2 N = 4), закрепленных на общем металлическом стержне 4, выполненном трубчатым. Конструкция каждого коаксиального вибратора (соотношения размеров его элементов, схемы их взаимного расположения и связей), полностью соответствует конструкции описанного выше одиночного коаксиального вибратора, показанного на фиг. 1. Расстояние "p" между примыкающими друг к другу коаксиальными вибраторами выбирают с учетом принятого внешнего диаметра D'₂ МЦ в пределах p = (0,01...0,1)D'₂.The claimed in-phase antenna array shown in FIG. 2, in the general case, consists of N identical, coaxial vibrators coaxially mounted with dielectric gaps (in Fig. 2 N = 4), mounted on a common metal rod 4 made tubular. The design of each coaxial vibrator (the ratio of the sizes of its elements, their mutual arrangement and connections), fully corresponds to the design of the single coaxial vibrator described above, shown in FIG. 1. The distance "p" between coaxial vibrators adjacent to each other is selected taking into account the accepted external diameter D ' ₂ MC within p = (0.01 ... 0.1) D' ₂ .

Во внутренней полости трубчатого МСт 4 в интервалах между примыкающими друг к другу кромками третьих МЦ 3 каждой пары смежных коаксиальных вибраторов установлены коаксиально отрезки проводников 10 диаметром 2r. Концы каждого из отрезков проводников 10, через отверстия 11 в трубчатом МСт 4 подключены к примыкающим к ним соответствующим кромкам третьих МЦ 3 (точки "c"). Коаксиальный фидер 7 у первого диэлектрического зазора первого коаксиального вибратора подключен экранной оболочкой 8 и центральным проводником 9 к кромкам соответственно его первого 1 (точки "б") и третьего 3 (точка "в") МЦ. In the inner cavity of the tubular MCT 4 in the intervals between the adjacent edges of the third MC 3 of each pair of adjacent coaxial vibrators, coaxial segments of conductors 10 with a diameter of 2r are installed. The ends of each of the segments of the conductors 10, through the holes 11 in the tubular MCT 4 are connected to adjacent to the corresponding edges of the third MC 3 (point "c"). The coaxial feeder 7 at the first dielectric gap of the first coaxial vibrator is connected by the screen sheath 8 and the central conductor 9 to the edges of its first 1 (point "b") and third 3 (point "c") MCs, respectively.

Заявленный коаксиальный вибратор работает следующим образом. The claimed coaxial vibrator operates as follows.

При подключении коаксиального фидера 7 к выходу генератора (радиостанции) в сечениях d' - d' и d - d, отрезков разомкнутых линий с волновым сопротивлением ρ_c, и образованных внутренними поверхностями МС 5, 6 и соответствующими им участками внешней поверхности третьего МЦ 3 возбуждаются противофазные ЭДС. Противофазность достигается за счет того, что второй диэлектрический зазор (d-d) подключен к фидеру через отрезок коаксиальной линии длиной l₂ и волновым сопротивлением ρ_ц, образованный внутренней поверхностью третьего МЦ 3 и внешней поверхностью МСт 3. Т.о. вибратор может быть представлен в виде эквивалентного линейного излучателя, возбуждаемого в двух сечениях (см. фиг. 3 а, б).When connecting the coaxial feeder 7 to the output of the generator (radio station) in sections d '- d' and d - d, segments of open lines with wave impedance ρ _c , and formed by the inner surfaces of MC 5, 6 and the corresponding sections of the outer surface of the third MC 3 are excited antiphase EMF. Antiphase is achieved due to the fact that the second dielectric gap (dd) is connected to the feeder through a segment of a coaxial line of length l ₂ and wave impedance ρ _c , formed by the inner surface of the third MC 3 and the outer surface of MCT 3. So the vibrator can be presented in the form of an equivalent linear emitter excited in two sections (see Fig. 3 a, b).

С учетом электрических размеров элементов коаксиального вибратора на фиг. 3б показано распределение амплитуд тока. Для сравнения на фиг. 3в приведено распределение амплитуд тока прототипа. Из эпюр видно, что при равных электрических длинах в заявленном вибраторе синфазное распределение амплитуд тока более равномерное, т.е. он имеет большую действующую длину и, следовательно, большее сопротивление излучения. Given the electrical dimensions of the elements of the coaxial vibrator in FIG. 3b shows the distribution of current amplitudes. For comparison, in FIG. 3c shows the distribution of the amplitudes of the current prototype. From the diagrams it can be seen that for equal electric lengths in the claimed vibrator, the in-phase distribution of current amplitudes is more uniform, i.e. it has a greater effective length and, therefore, greater radiation resistance.

Внутренние параметры коаксиального вибратора могут быть рассчитаны с помощью эквивалентной схемы (см. фиг. 4), на которой вибратор представлен в виде 4-х полюсника 10 с входами (б - в) и (б' - в') - соответствующими точками его возбуждения в диэлектрических зазорах: непосредственно от коаксиального фидера (б - в) и через отрезок линии длиной l₂, выполняющей роль инвертора 11 (б' - в'). В свою очередь структура четырехполюсника 10 состоит из каскадно включенных трех четырехполюсников 12, 13, 14, собственно излучателя с матрицей сопротивлений |Z| 12 и четырехполюсников 13 и 14, с матрицами сопротивлений Z_xx, образованных отрезками линий длиной l_xx. Четырехполюсники 13 и 14 выполняют роль трансформаторов сопротивлений. Последовательно в цепь одного из входов каждого четырехполюсника 13 и 14 включены двухполюсники соответственно 15 и 16, с реактивными сопротивления Z_кз, образованные отрезками линий длиной l_кз и выполняющие роль компенсаторов реактивностей. Общее входное сопротивление вибратора Z_A в точках подключения коаксиального фидера (точки б - в) равно Z_A = 1/2 (Z₁₁-Z₁₂), где Z₁₁ - сопротивление четырехполюсника 10 в режиме холостого хода;
Z₁₂ - взаимное сопротивление между входами (б - в) и (б'- в' ) этого же четырехполюсника. Значения Z₁₁ и Z₁₂ являются функциями многих параметров: волновых сопротивлений ρ_ц = 60 ln D₂/D₁; ρ_c = 60 ln D₃/D₂'; ρ_ф; длин линий l₁, l₂, l_кз, l_хх и рабочей длины волны λ.
Соотношения размеров элементов конструкции вибратора могут быть определены экспериментально или аналитически с использованием формул, характеризующих параметры Z₁₁, Z₁₂ четырехполюсника 10, которые можно получить по известным методикам. Ввиду громоздкости формулы для расчета Z₁₁, Z₁₂ не приводятся. Таким образом, выбором соответствующих размеров элементов конструкции коаксиального вибратора обеспечивается его работа в области первого последовательного резонанса (у прототипа - в области параллельного резонанса), чем достигается расширение диапазона рабочих частот с приемлемым качеством согласования.The internal parameters of the coaxial vibrator can be calculated using an equivalent circuit (see Fig. 4), in which the vibrator is presented in the form of 4 poles 10 with inputs (b - c) and (b '- c') - corresponding points of its excitation in dielectric gaps: directly from the coaxial feeder (b - c) and through a line segment of length l ₂ acting as an inverter 11 (b '- c'). In turn, the structure of the four-terminal 10 consists of cascade-connected three four-terminal 12, 13, 14, the actual emitter with a resistance matrix | Z | 12 and quadripoles 13 and 14, with resistance matrices Z _xx formed by line segments of length l _xx . The quadripoles 13 and 14 act as resistance transformers. Consistently in the circuit of one of the inputs of each four-terminal 13 and 14 are connected two-terminal 15 and 16, respectively, with reactance Z _kz formed by line segments of length l _kz and acting as compensators for reactivity. The total input resistance of the vibrator Z _A at the connection points of the coaxial feeder (points b - c) is Z _A = 1/2 (Z ₁₁ -Z ₁₂ ), where Z ₁₁ is the resistance of the four-terminal 10 in idle mode;
Z ₁₂ is the mutual resistance between the inputs (b - c) and (b'- c ') of the same four-terminal device. The values of Z ₁₁ and Z ₁₂ are functions of many parameters: wave impedances ρ _c = 60 ln D ₂ / D ₁ ; ρ _c = 60 ln D ₃ / D ₂ '; ρ _f ; line lengths l ₁ , l ₂ , l _kz , l _xx and working wavelength λ.
The ratio of the size of the structural elements of the vibrator can be determined experimentally or analytically using formulas characterizing the parameters Z ₁₁ , Z _{12 of the} four-terminal 10, which can be obtained by known methods. Due to the cumbersome formulas for calculating Z ₁₁ , Z _{12 are} not given. Thus, the choice of the appropriate sizes of the structural elements of the coaxial vibrator ensures its work in the field of the first sequential resonance (in the prototype in the field of parallel resonance), thereby achieving an extension of the operating frequency range with an acceptable matching quality.

Заявленная синфазная антенная решетка из коаксиальных вибраторов работает следующим образом. Эквивалентная схема антенной решетки из четырех коаксиальных вибраторов (N = 4) показана на фиг. 5. Каждый вибратор состоит из 4-х полюсника 10, входы б - в и б '- в' которого возбуждаются противофазно за счет включения между ними инвертора 11. Для обеспечения синфазного возбуждения вибраторов решетки входы б' - в' каждого предыдущего подключены через инвертор 17 к входам б - в последующего коаксиального вибратора. Инверторы 17 обеспечивают сдвиг возбуждающей ЭДС на 180^o и они образованы коаксиальными отрезками линий, состоящими из проводников 10 и внутренней поверхности МСт (см. фиг. 2) и имеющих волновое сопротивление ρ_отр = 60 ln D'₁/2r. Таким образом все вибраторы, образующие решетку, включены каскадно и возбуждаются синфазно. Причем благодаря идентичной схеме подключения всех вибраторов и одинаковому расположению их относительно оси антенной решетки достигается их практически полная взаимная развязка за счет того, что внутренние поверхности примыкающих МЦ 3 двух смежных вибраторов образуют с внешней поверхностью МСт 4; запирающие стаканы ("металлические изоляторы"). Это, а также более равномерное распределение амплитуд тока на каждом КВ обусловливает более высокий (в сравнении с прототипом) КНД.The claimed in-phase antenna array of coaxial vibrators works as follows. An equivalent circuit of an antenna array of four coaxial vibrators (N = 4) is shown in FIG. 5. Each vibrator consists of 4 poles 10, the inputs b - c and b '- c' of which are excited out of phase due to the inclusion of an inverter 11. To ensure in-phase excitation of the lattice vibrators, the inputs b '- c' of each previous one are connected through an inverter 17 to the inputs b - in the subsequent coaxial vibrator. Inverters 17 provide a shift of the exciting EMF by 180 ^° and they are formed by coaxial line segments consisting of conductors 10 and the inner surface of the MCT (see Fig. 2) and having a wave impedance ρ _sp = 60 ln D ' ₁ / 2r. Thus, all the vibrators forming the lattice are cascaded and excited in phase. Moreover, due to the identical connection scheme of all the vibrators and their identical arrangement relative to the axis of the antenna array, their almost complete mutual isolation is achieved due to the fact that the inner surfaces of the adjacent MC 3 of two adjacent vibrators form with the outer surface of MCT 4; locking glasses ("metal insulators"). This, as well as a more uniform distribution of current amplitudes on each HF, leads to a higher (in comparison with the prototype) KND.

Правомерность теоретических предпосылок проверена на опытных образцах одиночного коаксиального вибратора и 4-х элементной синфазной антенной решетки из таких вибраторов, предназначенных для работы на средней частоте 1000 МГц λ_ср = 0,3 м). Результаты измерений качества согласования (коэффициента бегущей волны - КБВ) одиночного вибратора и диаграммы направленности (ДН) синфазной антенной решетки приведены соответственно на фиг. 6 и 7. Измерения показали, что рабочий диапазон частот, при котором обеспечивается согласование на уровне КБВ ≥ 0,4 у заявленного вибратора более чем в три раза шире, чем у прототипа (показано пунктиром). Заявленная антенная решетка имеет в сравнении с прототипом большой КНД за счет сужения ДН в плоскости "E".The validity of the theoretical assumptions was tested on prototypes of a single coaxial vibrator and a 4-element in-phase antenna array of such vibrators designed to operate at an average frequency of 1000 MHz λ _cf = 0.3 m). The results of measurements of the quality of matching (traveling wave coefficient - KBV) of a single vibrator and radiation pattern (LH) of the in-phase antenna array are shown in FIG. 6 and 7. The measurements showed that the operating frequency range at which matching is achieved at the KBM level ≥ 0.4 for the claimed vibrator is more than three times wider than for the prototype (shown by a dotted line). The claimed antenna array has, in comparison with the prototype, a large directivity gain due to narrowing of the beam in the "E" plane.

В ходе экспериментальной отработки конструкция установлены следующие соотношения размеров элементов конструкции заявленных устройств, при которых реализуется сформулированная техническая задача (при ρ_ф = 75 Ом): l₂ = (0,4 - 0,6) λ_ср; ; l₁ = (0,48 - 0,52) l₂; l₃ = (0,5 - 1,2) l₁; l_кз = (0,2 - 0,9) l₃; p = Δ = (0,01 - 0,1) D'₂; D₂/D₁ = 1,5 - 4; D₃/D'₂ = 1,2 - 2,5; D'₁/2r = 2 - 4.During experimental testing of the design, the following relationships were established between the sizes of the structural elements of the claimed devices, in which the formulated technical problem is realized (at ρ _f = 75 Ohm): l ₂ = (0.4 - 0.6) λ _cf ; ; l ₁ = (0.48 - 0.52) l ₂ ; l ₃ = (0.5 - 1.2) l ₁ ; l _KZ = (0.2 - 0.9) l ₃ ; p = Δ = (0.01 - 0.1) D '₂; D ₂ / D ₁ = 1.5 to 4; D ₃ / D ' ₂ = 1.2 - 2.5; D ' ₁ / 2r = 2 - 4.

Так при работе на средней длине волны λ_ср = 0,3 м оптимальные размеры элементов устройств составили (в мм): l₁ = 75; l₂ = 150; l₃ = 80; l_кз = 58; l_xx = 22; D'₁ = 10; D₁ = 16; D'₂ = 36; D₂ = 30; D₃ = 60; D'₃ = 68; Δ = p = 2; 2r = 3.So when working at an average wavelength λ _cf = 0.3 m, the optimal sizes of the elements of the devices were (in mm): l ₁ = 75; l ₂ = 150; l ₃ = 80; l _KZ = 58; l _xx = 22; D ' ₁ = 10; D ₁ = 16; D ' ₂ = 36; D ₂ = 30; D ₃ = 60; D ' ₃ = 68; Δ = p = 2; 2r = 3.

Использование заявленных устройств в радиолиниях подвижной связи повысит энергетику каналов и, следовательно, надежность связи. The use of the claimed devices in mobile radio links will increase the energy of the channels and, therefore, the reliability of communication.

Claims

1. A coaxial vibrator containing the first and second metal cylinders, each of length l ₁ , mounted coaxially and one of the ends conductively connected to a metal rod coaxially placed in their internal cavities, and a coaxial feeder, the screen shell of which is connected to a metal rod, characterized in that a third metal cylinder of length l _{2 is} additionally introduced, installed with dielectric gaps between the first and second metal cylinders coaxially with them, moreover, with a metal rod the edges of the first and second metal cylinders adjacent to the dielectric gaps are inductively connected, two metal cups each of length l _{3 are} additionally introduced, metal cylinders are coaxially mounted in the internal cavities, the base of the first metal cup is connected conductively to the first metal cylinder, and the base of the second metal cup is to the second metal cylinder, and the first and second dielectric gaps between the metal cylinders are located within internal cavities of the first and second metal cups, respectively, and the coaxial feeder is connected at the first dielectric gap by the screen sheath and the central conductor to the edges of the first and third metal cylinders, respectively.

2. The coaxial vibrator according to claim 1, characterized in that the length l _{2 of the} third metal cylinder is selected in the range (0.4 - 0.6) λ _cf , where λ _cf is the average wavelength of the operating wavelength range, the ratio l ₁ / l ₂ = 0.48 - 0.52, and the length l _{3 of the} metal cups corresponds to the length l _{1 of the} first and second metal cylinders as l ₃ / l ₁ = 0.5 - 1.2, and the ratio of the distance l _kz from the base of each of metal cups to the middle of the corresponding dielectric gap and a length l _{3 of the} metal cup is selected in the range l _kz / l ₃ = 0.2 - 0.9.

3. In-phase antenna array, consisting of N, where N ≥ 2, coaxially mounted coaxial vibrators mounted on a common hollow metal rod, each of which contains the first and second metal cylinders mounted coaxially and one of the ends conductively connected to the metal rod, coaxially placed in their internal cavities, and a coaxial feeder, the screen shell of which is connected to a metal rod, and the central conductor to the edge of one of the metal cylinders of the first coaxial vibrato ra, characterized in that each coaxial vibrator additionally contains a third metal cylinder mounted with dielectric gaps between its first and second metal cylinders coaxially with them, the first and second metal cylinders of each coaxial vibrator are conductively connected to the metal rod by the edges adjacent to the edges of its third a metal cylinder, two metal cups are additionally introduced into each coaxial vibrator, coaxially installed in the internal cavities metal cylinders, and the bases of the first and second metal glasses are connected respectively to its first and second metal cylinders, the first and second dielectric gaps between the metal cylinders in each coaxial vibrator are located within the internal cavities of its first and second metal glasses, respectively, in the internal cavity metal rod in the intervals between adjacent to each other the edges of the third metal cylinders of each pair of adjacent coaxial pieces of conductors are coaxially installed, the ends of which are connected to the adjacent edges of these third metal cylinders, the coaxial feeder connected at the first dielectric gap of the first coaxial vibrator by a shield sheath and the central conductor to the edges of its first and third metal cylinders, respectively.

4. The in-phase antenna array according to claim 1, characterized in that in each coaxial vibrator, the length l _{2 of the} third metal cylinder is selected in the range (0.4 - 0.6) λ _cf , where λ _cf is the average wavelength of the working wave range, the lengths l _{1 of the} first and second metal cylinders are equal, the ratio of lengths l ₁ / l ₂ is 0.48 - 0.52, and the length l _{3 of the} metal cups is related to the length l _{1 of the} first and second metal cylinders as l ₃ / l ₁ = 0 , 5 - 1.2, and the ratio of the distance l _kz from the base of each of the metal glasses to the middle of the corresponding the dielectric gap and the length l _{3 of the} metal cup is selected within l _kz / l ₃ = 0.2 - 0.9.