RU2472261C1 - Dipole emitter - Google Patents

Dipole emitter Download PDF

Info

Publication number
RU2472261C1
RU2472261C1 RU2011133738A RU2011133738A RU2472261C1 RU 2472261 C1 RU2472261 C1 RU 2472261C1 RU 2011133738 A RU2011133738 A RU 2011133738A RU 2011133738 A RU2011133738 A RU 2011133738A RU 2472261 C1 RU2472261 C1 RU 2472261C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
conductors
emitter
balancing device
current
collinear
Prior art date
Application number
RU2011133738A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Андреевич Бухтияров
Анатолий Петрович Горбачев
Юлия Олеговна Филимонова
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет"
Priority to RU2011133738A priority Critical patent/RU2472261C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2472261C1 publication Critical patent/RU2472261C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: radio engineering.
SUBSTANCE: dipole emitter comprises two collinear identical cylindrical conductors (1) and (2), a feed coaxial cable (3) and a balancing device (4) with input (5) and two antiphase output arms (6) and (7). At the same time adjacent ends (8) and (9) of collinear conductors (1) and (2) are arranged in close proximity. The feed coaxial cable (3) is connected with an input arm (5) of the balancing device (4), antiphase output arms (6) and (7) of which are connected with remote ends (10) and (11) of collinear conductors (1) and (2).
EFFECT: improved manufacturability of assembly, mounting and building works.
12 dwg

Description

Предлагаемый дипольный излучатель относится к области антенной техники и может быть использован как самостоятельная (отдельно стоящая) антенна, так и в качестве возбудителя директорных антенн, а также как базовое излучающее звено турникетных и многоэлементных логопериодических антенн.The proposed dipole emitter belongs to the field of antenna technology and can be used as an independent (freestanding) antenna, as well as the pathogen of director antennas, as well as the basic radiating element of turnstile and multi-element log-periodic antennas.

Актуальность совершенствования перечисленных типов антенн обусловлена все возрастающими требованиями к антенным системам диапазона сверхвысоких частот (СВЧ) в отношении их компактности, технологичности и удобства компоновки (соединения с источником СВЧ сигнала и между собой). Для разрабатываемых ныне устройств необходимы малогабаритные излучатели линейно- и кругополяризованных радиоволн, которые могли бы быть легкосопрягаемыми с симметрирующими устройствами различных типов без излишних соединительных коаксиальных, полосковых или микрополосковых передающих линий.The relevance of improving these types of antennas is due to the ever-increasing requirements for antenna systems in the microwave range in terms of their compactness, manufacturability and ease of layout (connection to a microwave signal source and to each other). The devices currently being developed require small-sized emitters of linearly and circularly polarized radio waves, which could be easily interfaced with various types of baluns without unnecessary connecting coaxial, strip or microstrip transmission lines.

Реализация дипольных излучателей, клеммы питания которых являются не смежными (т.е., расположенными в непосредственной близости), а удаленными друг от друга на заметное расстояние, будет способствовать расширению сфер использования таких излучателей и позволит задействовать при их возбуждении широкую номенклатуру симметрирующих устройств, противофазные выходы которых не обязательно должны быть смежными. В частности, освобождается пространство в центральной части излучателя, которое в существующих ныне дипольных антеннах занято подводящими линиями, идущими от симметрирующего устройства с многими изгибами и поворотами, что затрудняет миниатюризацию и ухудшает показатели технологичности антенн, не говоря уже о возрастании коэффициента отражения и диссипативных потерь за счет подводящих линий.The implementation of dipole emitters, the power terminals of which are not adjacent (i.e., located in close proximity), but are located at a noticeable distance from each other, will expand the scope of use of such emitters and will allow to use a wide range of balun devices that are antiphase when excited. whose outputs do not have to be adjacent. In particular, space is freed up in the central part of the emitter, which in current dipole antennas is occupied by supply lines coming from a balancing device with many bends and turns, which complicates miniaturization and worsens the processability of antennas, not to mention an increase in reflection coefficient and dissipative losses due to expense of the leading lines.

Известен классический дипольный излучатель, содержащий два коллинеарных идентичных цилиндрических проводника, смежные концы которых расположены в непосредственной близости, описанный еще в конце XIX-начале XX веков, а также в многочисленной литературе последних десятилетий, в частности в работе: Марков Г.Т., Сазонов Д.М., «Антенны», М.: Энергия, 1975, глава 2. Излучатель содержит также симметрирующее устройство с входным и двумя противофазными выходными плечами, которые соединены со смежными концами коллинеарных проводников. Питается излучатель коаксиальным кабелем, соединенным со входным плечом симметрирующего устройства. Конструктивно оба коллинеарных проводника и симметрирующее устройство выполнены в виде законченной сборочной единицы, которая и является антенной. При этом возможны два варианта компоновки антенны.A classic dipole emitter is known, containing two collinear identical cylindrical conductors, the adjacent ends of which are located in close proximity, described as far back as the late 19th and early 20th centuries, as well as in the numerous literature of recent decades, in particular in the work: Markov G.T., Sazonov D.M., "Antennas", Moscow: Energia, 1975, chapter 2. The emitter also contains a balancing device with input and two out-of-phase output arms, which are connected to adjacent ends of collinear conductors. The emitter is powered by a coaxial cable connected to the input arm of the balancing device. Structurally, both collinear conductors and a balancing device are made in the form of a complete assembly unit, which is an antenna. In this case, two options for the layout of the antenna are possible.

В первом варианте симметрирующее устройство должно иметь противофазные выходы, отстоящие друг от друга в пространстве на расстоянии, пренебрежимо малом по сравнению с длиной коллинеарных проводников. Примерами таких симметрирующих устройств являются: четвертьволновый «стакан», четвертьволновые щели в оплетке питающего коаксиального кабеля на соединенном с проводниками его конце, симметрирующая приставка, «ласточкин хвост» в заземленном слое фольги при печатной реализации, широко используемое в телевизионных директорных антеннах симметрирующее U-колено и другие.In the first embodiment, the balancing device should have antiphase outputs that are spaced apart from each other in space at a distance that is negligible compared to the length of the collinear conductors. Examples of such balancing devices are: a quarter-wave “cup”, quarter-wave slots in the braid of a supply coaxial cable at its end connected to conductors, a balancing prefix, a “dovetail” in a grounded foil layer for printing, which is widely used in television director antennas to balance a U-elbow and others.

Во втором варианте симметрирующее устройство может иметь противофазные выходы, отстоящие друг от друга в пространстве на расстоянии, равном части длины волны излучаемого/принимаемого радиосигнала. В этом случае разнесенные пространственно выходы симметрирующего устройства соединяются со смежными концами коллинеарных проводников отрезками коаксиальных, полосковых или микрополосковых линий передачи. Примерами этой группы симметрирующих устройств являются направленные ответвители на связанных линиях, шлейфные мосты, кольцевые делители мощности и ряд других.In the second embodiment, the balancing device may have antiphase outputs spaced from each other in space at a distance equal to part of the wavelength of the emitted / received radio signal. In this case, the spatially separated outputs of the balancing device are connected to the adjacent ends of the collinear conductors by pieces of coaxial, strip or microstrip transmission lines. Examples of this group of balancing devices are directional couplers on connected lines, stub bridges, ring power dividers and several others.

Оба варианта конструктивного исполнения классических дипольных излучателей с обеими группами симметрирующих устройств хорошо известны (см. вышеупомянутую работу «Антенны», разделы 9-2, 9-3, 9-4, 13-5, рис.14-4) и широко применяются в антенной технике.Both versions of the design of classical dipole emitters with both groups of balancing devices are well known (see the aforementioned work "Antennas", sections 9-2, 9-3, 9-4, 13-5, Fig. 14-4) and are widely used in antenna technology.

Однако такая компоновка дипольного излучателя, когда задействованы только смежные концы коллинеарных излучающих проводников, приводит к необходимости размещения в непосредственной близости к этим проводникам в центральной области излучателя либо верхней части конструкции симметрирующего устройства, либо подводящих линий, идущих от симметрирующего устройства. При этом возникают трудности конструктивно-компоновочного характера, особенно при большом числе диполей, препятствующие рациональному размещению излучателей на объекте установки (борт летательного аппарата, шасси автомобиля или тягача и т.п.) и их соединению коаксиальным кабелем с источником сигнала. За многие десятилетия с этими трудностями смирились, хотя поиск их преодоления заслуживает всяческого внимания и является достойной приложения усилий научно-технической задачей.However, this arrangement of the dipole emitter, when only the adjacent ends of the collinear radiating conductors are involved, leads to the need to place in the immediate vicinity of these conductors in the central region of the emitter either the upper part of the design of the balun device, or the supply lines coming from the balun device. At the same time, structural and layout difficulties arise, especially with a large number of dipoles, which impede the rational placement of emitters at the installation site (aircraft board, car chassis or tractor, etc.) and their connection with a coaxial cable to the signal source. For many decades, they have come to terms with these difficulties, although the search for overcoming them deserves all attention and is a worthy scientific and technical task.

Известен также дипольный излучатель (диапазонный шунтовой вибратор), описанный в работе: Айзенберг Г.З., «Антенны УКВ», М.: Государственное изд-во литературы по вопросам связи и радио, 1957, стр.258. В этом излучателе сигнал подается на смежные концы двух идентичных коллинеарных цилиндрических проводников, закрепленных на металлическом кронштейне в их средних точках. Такое исполнение излучателя позволяет регулировать его входное сопротивление за счет изменения положения точек крепления.Also known is a dipole emitter (a band shunt vibrator), described in the work: Eisenberg GZ, "VHF Antennas", M .: State Publishing House of Literature on Communications and Radio, 1957, p. 258. In this emitter, a signal is applied to the adjacent ends of two identical collinear cylindrical conductors mounted on a metal bracket at their midpoints. This embodiment of the emitter allows you to adjust its input impedance by changing the position of the mounting points.

Однако упомянутый излучатель питается симметричной (балансной) двухпроводной линией и коаксиальным кабелем запитан быть не может без симметрирующего устройства. Последнее вновь создает трудности конструктивно-компоновочного характера, препятствующие компактному размещению на объекте установки.However, the aforementioned emitter is powered by a symmetrical (balanced) two-wire line and cannot be powered by a coaxial cable without a balancing device. The latter again creates difficulties of a structural and layout nature that impede compact placement at the installation site.

Известен также дипольный излучатель (дельта-трансформатор), образованный отводами симметричной двухпроводной линии, подключенными симметрично к двум точкам сплошного цилиндрического проводника, описанный в работе: Дорохов А.П., «Расчет и конструирование антенно-фидерных устройств», Харьков, изд-во Харьковского ун-та, 1960, стр.69, рис.30.IIа. В этом излучателе согласование с источником сигнала обеспечивается выбором точек подключения расходящихся отводов симметричного фидера.Also known is a dipole emitter (delta transformer) formed by taps of a symmetrical two-wire line connected symmetrically to two points of a solid cylindrical conductor, described in the work: A. Dorokhov, “Calculation and design of antenna-feeder devices”, Kharkov, publishing house Kharkov University, 1960, p. 69, fig. 30.IIa. In this radiator, matching with the signal source is ensured by the choice of connection points for the diverging taps of the symmetric feeder.

Однако и этот излучатель не может быть запитан коаксиальным кабелем без симметрирующего устройства, что также создает трудности конструктивно-компоновочного характера.However, this emitter cannot be powered by a coaxial cable without a balancing device, which also creates difficulties of a structural-layout nature.

Прототипом предлагаемого изобретения является упомянутый первым дипольный излучатель, описанный в вышеупомянутой работе «Антенны», глава 2. Как уже отмечалось, противофазные выходные плечи симметрирующего устройства соединены со смежными концами двух коллинеарных идентичных цилиндрических проводников, что приводит к трудностям конструктивно-компоновочного характера, часть которых можно преодолеть (да и то не всегда) лишь за счет усложнения конструктивного исполнения симметрирующего устройства или уплотнения разводки подходящих к клеммам смежных концов проводников соединительных передающих линий. Все эти конструктивные решения, вместе взятые, представляют собой экстенсивный путь решения проблемы, который характеризуется заметным снижением технологичности монтажно-компоновочных работ при сборке многоэлементных антенн и их размещении на объекте установки.The prototype of the invention is the first-mentioned dipole emitter described in the aforementioned work "Antennas", chapter 2. As already noted, the out-of-phase output arms of the balancing device are connected to the adjacent ends of two collinear identical cylindrical conductors, which leads to structural difficulties, some of which can be overcome (and even then not always) only by complicating the design of the balancing device or by sealing wiring suitable for the terminals of adjacent ends of the conductors of the connecting transmission lines. All these constructive solutions taken together represent an extensive way to solve the problem, which is characterized by a noticeable decrease in the manufacturability of installation and assembly works during the assembly of multi-element antennas and their placement at the installation site.

Задачей предлагаемого изобретения является создание дипольного излучателя, имеющего более высокую технологичность сборочных, монтажных и компоновочных работ.The task of the invention is the creation of a dipole emitter having a higher manufacturability of assembly, installation and layout works.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известном дипольном излучателе, содержащем два коллинеарных идентичных цилиндрических проводника, питающий коаксиальный кабель и симметрирующее устройство с входным и двумя противофазными выходными плечами, при этом смежные концы коллинеарных проводников расположены в непосредственной близости, питающий коаксиальный кабель соединен с входным плечом симметрирующего устройства, выходные плечи которого соединены с упомянутыми проводниками, выходные плечи симметрирующего устройства подключены к удаленным концам указанных проводников.The solution to this problem is ensured by the fact that in the known dipole radiator containing two collinear identical cylindrical conductors, a coaxial cable and a balancing device with input and two out-of-phase output arms, while the adjacent ends of the collinear conductors are located in close proximity, the supply coaxial cable is connected to the input the shoulder of the balancing device, the output shoulders of which are connected to the said conductors, the output shoulders of the balancing device Twa connected to the distal ends of said conductors.

На фиг.1 изображен предлагаемый дипольный излучатель, на фиг.2 показано распределение тока вдоль его цилиндрических проводников, на фиг.3 представлена зависимость ширины диаграммы направленности в плоскости электрического вектора

Figure 00000001
от относительной длины цилиндрических проводников, на фиг.4 изображены зависимости активных составляющих входного сопротивления излучающих цилиндрических проводников от их относительной длины, на фиг.5 показано расположение текущей точки интегрирования в ближней зоне, на фиг.6 представлены зависимости реактивных составляющих входного сопротивления излучающих цилиндрических проводников от их относительной длины, на фиг.7 изображен вариант реализации компенсирующих неизлучающих индуктивностей, на фиг.8 представлены расчетные и экспериментальные значения возвратных потерь (Return loss) и развязки опытного образца излучателя, на фиг.9 показаны расчетные и экспериментальные диаграммы направленности опытного образца в плоскости электрического вектора
Figure 00000001
для основной поляризации, на фиг.10 - те же величины для кросс-поляризации, на фиг.11 изображены расчетные и экспериментальные диаграммы направленности опытного образца в плоскости магнитного вектора
Figure 00000002
для основной поляризации, на фиг.12 - те же величины для кросс-поляризации.Figure 1 shows the proposed dipole emitter, figure 2 shows the distribution of current along its cylindrical conductors, figure 3 shows the dependence of the width of the radiation pattern in the plane of the electric vector
Figure 00000001
on the relative length of the cylindrical conductors, Fig. 4 shows the dependences of the active components of the input resistance of the radiating cylindrical conductors on their relative length, Fig. 5 shows the location of the current integration point in the near zone, Fig. 6 shows the dependences of the reactive components of the input resistance of the radiating cylindrical conductors from their relative lengths, Fig. 7 shows an embodiment of compensating non-radiating inductances, Fig. 8 shows the calculated and experimental imentalnye return loss value (Return loss) and decoupling the prototype radiator 9 shows the calculated and the experimental pattern of the test sample in the plane of the electric vector
Figure 00000001
for the main polarization, figure 10 - the same values for cross-polarization, figure 11 shows the calculated and experimental radiation patterns of the prototype in the plane of the magnetic vector
Figure 00000002
for the main polarization, in Fig.12 - the same values for cross-polarization.

Предлагаемый дипольный излучатель (фиг.1) содержит два коллинеарных идентичных цилиндрических проводника 1 и 2, питающий коаксиальный кабель 3 и симметрирующее устройство 4 с входным 5 и двумя противофазными выходными 6, 7 плечами. При этом смежные концы 8 и 9 коллинеарных проводников 1 и 2 расположены в непосредственной близости. Это означает, что расстояние между концами 8 и 9 не превышает 0.01·λc, где λc есть средняя длина волны рабочего диапазона частот fL…fR излучателя:The proposed dipole emitter (figure 1) contains two collinear identical cylindrical conductors 1 and 2, supplying a coaxial cable 3 and a balancing device 4 with input 5 and two out-of-phase output 6, 7 arms. In this case, the adjacent ends 8 and 9 of the collinear conductors 1 and 2 are located in close proximity. This means that the distance between the ends 8 and 9 does not exceed 0.01 · λ c , where λ c is the average wavelength of the working frequency range f L ... f R of the emitter:

Figure 00000003
;
Figure 00000004
Figure 00000003
;
Figure 00000004

Упомянутое ограничение соответствует классификации расстояний, зазоров и диаметров цилиндрических проводников излучателей, принятой в области антенн и указанной в вышеупомянутой работе «Антенны», глава 2.The mentioned restriction corresponds to the classification of distances, gaps and diameters of the cylindrical conductors of the emitters adopted in the field of antennas and indicated in the aforementioned work "Antennas", chapter 2.

Питающий коаксиальный кабель 3 соединен с входным плечом 5 симметрирующего устройства 4, противофазные выходные плечи 6 и 7 которого соединены с удаленными концами 10 и 11 коллинеарных проводников 1 и 2. Предполагается, что дипольный излучатель расположен в безграничном свободном пространстве с относительными диэлектрической и магнитной проницаемостямиThe coaxial supply cable 3 is connected to the input arm 5 of the balancing device 4, the out-of-phase output arms 6 and 7 of which are connected to the remote ends 10 and 11 of the collinear conductors 1 and 2. It is assumed that the dipole emitter is located in unlimited free space with relative dielectric and magnetic permeabilities

Figure 00000005
Figure 00000005

и с этим излучателем связана декартовая система координат, изображенная на фиг.1, так что начало координат находится на оси проводников 1 и 2 в центре зазора между их смежными концами 8 и 9. Излучатель фиксируется в пространстве соответствующей системой крепления (на фиг.1 элементы крепления условно не показаны). Возможна также и печатная его реализация по технологии микроэлектроники (вакуумное осаждение меди на керамику) или полосковых печатных плат (травление медной фольги с «пробельных» участков изначально фольгированных заготовок).and the Cartesian coordinate system shown in Fig. 1 is connected with this emitter, so that the origin is on the axis of the conductors 1 and 2 in the center of the gap between their adjacent ends 8 and 9. The emitter is fixed in space by the corresponding mounting system (in Fig. 1, the elements fasteners are not shown conditionally). It can also be printed using microelectronics technology (vacuum deposition of copper on ceramics) or strip printed circuit boards (etching of copper foil from “blank” sections of initially foil blanks).

Принцип действия предлагаемого дипольного излучателя состоит в следующем.The principle of operation of the proposed dipole emitter is as follows.

Пусть от генератора СВЧ-колебаний по питающему коаксиальному кабелю 3 на вход 5 симметрирующего устройства 4 поступает гармонический сигнал с частотой fс Suppose that a harmonic signal with a frequency f s is received from a microwave oscillator through a supplying coaxial cable 3 to input 5 of a balancing device 4

Figure 00000006
Figure 00000006

где φс - начальная фаза сигнала. Поданный сигнал делится между противофазными выходами 6 и 7 симметрирующего устройства 4 в отношении 1:1, причем формирующиеся в симметрирующем устройстве фазовые набеги φ6 и φ7 обеспечивают на частоте fс противофазность выходных сигналов u6 (t) и u7(t):where φ c is the initial phase of the signal. The supplied signal is divided between the out-of-phase outputs 6 and 7 of the balancing device 4 in a 1: 1 ratio, and the phase incursions φ 6 and φ 7 formed in the balancing device provide at the frequency f c the phase-out of the output signals u 6 (t) and u 7 (t):

Figure 00000007
Figure 00000007

Figure 00000008
Figure 00000008

Под воздействием приложенных к концам 10 и 11 разнополярных напряжений (4) на проводящей поверхности проводников 1 и 2 возникают электрические токи, которые распределяются по их поверхности так, что возбуждаемое ими в окружающем свободном пространстве электромагнитное поле удовлетворяет уравнениям Максвелла и граничным условиям на поверхности проводников 1 и 2 (фиг.1). В соответствии с общепринятой методикой анализа любых излучателей вначале решается внутренняя задача, позволяющая найти распределение токов по излучающим элементам, а затем в процессе решения внешней задачи находятся все характеристики излучателя (см. вышеупомянутую работу «Антенны», стр.50), в том числе сопротивление излучения, входное сопротивление, диаграмма направленности и т.д.Under the influence of bipolar voltages (4) applied to the ends 10 and 11, electric currents appear on the conductive surface of conductors 1 and 2, which are distributed over their surface so that the electromagnetic field excited by them in the surrounding free space satisfies the Maxwell equations and boundary conditions on the surface of the conductors 1 and 2 (FIG. 1). In accordance with the generally accepted methodology for the analysis of any emitters, the internal problem is first solved, allowing to find the current distribution among the radiating elements, and then all the characteristics of the emitter are found in the process of solving the external problem (see the aforementioned work “Antennas”, page 50), including resistance radiation, input impedance, radiation pattern, etc.

В процессе решения внутренней задачи берутся проводники 1 и 2 (фиг.1), удовлетворяющие «тонкоцилиндровым» требованиям и условию максимальной близости смежных концов 8 и 9 каждого из проводников:In the process of solving the internal problem, conductors 1 and 2 are taken (Fig. 1), satisfying the "thin-cylinder" requirements and the condition of maximum proximity of the adjacent ends 8 and 9 of each of the conductors:

Figure 00000009
Figure 00000009

При выполнении этих условий, а также с учетом осевой симметрии проводников 1 и 2 допустимы следующие утверждения (см. вышеупомянутую работу «Антенны», стр.50, 51).When these conditions are met, and also taking into account the axial symmetry of conductors 1 and 2, the following statements are valid (see the aforementioned work “Antennas”, p. 50, 51).

Во-первых, поверхностные электрические токи на проводниках 1 и 2 характеризуются только продольной составляющей с комплекснойFirst, surface electric currents on conductors 1 and 2 are characterized only by a longitudinal component with a complex

амплитудой плотности тока

Figure 00000010
. Торцевые токи проводников 1 и 2 на смежных концах 8 и 9 при этом игнорируются. По известной плотности тока определяется комплексная амплитуда продольного электрического тока
Figure 00000011
, который мыслится как бесконечно тонкая токовая нить, совпадающая с осью Z в пределах -l≤z≤l. В этих пределах ток
Figure 00000012
считается непрерывной функцией координаты Z и обращается в нуль на смежных концах 8 и 9. Если в соответствии с (5) пренебречь размером b, то должно соблюдаться условие:current density amplitude
Figure 00000010
. The end currents of conductors 1 and 2 at adjacent ends 8 and 9 are ignored. The known current density determines the complex amplitude of the longitudinal electric current
Figure 00000011
, which is thought of as an infinitely thin current thread, coinciding with the Z axis in the range of -l≤z≤l. Within these limits, the current
Figure 00000012
is considered a continuous function of the Z coordinate and vanishes at adjacent ends 8 and 9. If, in accordance with (5), size b is neglected, then the condition must be satisfied:

Figure 00000013
Figure 00000013

Во-вторых, касательная составляющая Eкac(z) вектора напряженности электрического поля, создаваемая нитью тока

Figure 00000014
на боковой поверхности идеально проводящих проводников 1 и 2, охватывающих нить тока (т.е., при ρ=а), обращается в нуль:Secondly, the tangent component E kac (z) of the electric field vector created by the current thread
Figure 00000014
on the side surface of perfectly conducting conductors 1 and 2, covering the current thread (i.e., at ρ = a ), it vanishes:

Figure 00000015
Figure 00000015

где ρ - расстояние от оси Z до боковой поверхности проводников 1 и 2.where ρ is the distance from the Z axis to the lateral surface of conductors 1 and 2.

Сформулированные утверждения позволяют дать математическую формулировку внутренней задачи заявляемого дипольного излучателя, а именно: неизвестное распределение тока

Figure 00000016
создает на боковых поверхностях проводников 1 и 2 векторный потенциал только с продольной составляющей
Figure 00000017
. Эта составляющая определяет продольную составляющую вектора напряженности электрического поля Eкас(z), которая является одновременно составляющей, касательной к боковой поверхности цилиндрических проводников 1 и 2, в виде:The formulated statements allow us to give a mathematical formulation of the internal problem of the claimed dipole emitter, namely: unknown current distribution
Figure 00000016
creates on the side surfaces of conductors 1 and 2 a vector potential with only a longitudinal component
Figure 00000017
. This component determines the longitudinal component of the electric field vector E cas (z), which is simultaneously a component tangent to the side surface of the cylindrical conductors 1 and 2, in the form:

Figure 00000018
Figure 00000018

где ε0, µ0 - электрическая и магнитная постоянные вакуума соответственно:where ε 0 , μ 0 are the electric and magnetic constants of vacuum, respectively:

Figure 00000019
Figure 00000019

ω - круговая частота;

Figure 00000020
- орт оси Z.ω is the circular frequency;
Figure 00000020
- unit of the Z axis.

Формула (8) получена исходя из общей формулы для напряженности электрического поля

Figure 00000021
(x, y, z) в произвольной точке P(x, y, z) окружающего пространства, определяемой по векторному потенциалу
Figure 00000022
электрического тока и векторному потенциалу
Figure 00000023
магнитного тока в элементах излучателя (см. вышеупомянутую работу «Антенны», стр.15):Formula (8) is derived from the general formula for the electric field strength
Figure 00000021
(x, y, z) at an arbitrary point P (x, y, z) of the surrounding space, determined by the vector potential
Figure 00000022
electric current and vector potential
Figure 00000023
magnetic current in the elements of the emitter (see the aforementioned work "Antennas", page 15):

Figure 00000024
Figure 00000024

причем поскольку b<<l [условия (5)], вкладом кольцевого магнитного тока в зазоре между смежными концами 8 и 9 проводников 1 и 2, каким бы он ни был, можно пренебречь. Это соответствует тому, что в формуле (10)

Figure 00000025
.moreover, since b << l [conditions (5)], the contribution of the ring magnetic current in the gap between the adjacent ends 8 and 9 of conductors 1 and 2, whatever it may be, can be neglected. This corresponds to the fact that in the formula (10)
Figure 00000025
.

В свою очередь векторный потенциал

Figure 00000026
связан с плотностью электрического тока
Figure 00000027
в каждой точке Q(x', y', z'), принадлежащей излучающим элементам, соотношением, приведенном в вышеупомянутой работе «Антенны» на стр.17:In turn, the vector potential
Figure 00000026
associated with electric current density
Figure 00000027
at each point Q (x ', y', z ') belonging to the radiating elements, by the ratio given in the aforementioned work “Antennas” on page 17:

Figure 00000028
Figure 00000028

где

Figure 00000029
- волновое число окружающего свободного пространства;Where
Figure 00000029
- wave number of the surrounding free space;

Figure 00000030
- расстояние между точками наблюдения P(x, y, z) и интегрирования Q(x', y', z'); V' - объем пространства, занимаемого токами проводимости с плотностью
Figure 00000027
; интегрирование в (11) ведется только по «штрихованным» координатам x', y', z' в пределах объема V'.
Figure 00000030
- the distance between the observation points P (x, y, z) and the integration of Q (x ', y', z '); V '- the amount of space occupied by conduction currents with a density
Figure 00000027
; integration in (11) is carried out only along the “hatched” coordinates x ', y', z 'within the volume V'.

Учитывая, что согласно первому утверждению при формулировке внутренней задачи ток проводимости в заявляемом излучателе имеет только продольную составляющуюGiven that according to the first statement in the formulation of the internal problem, the conduction current in the inventive emitter has only a longitudinal component

Figure 00000031
Figure 00000031

а также в очередной раз пренебрегая расстоянием 2b между смежными концами 8 и 9 цилиндрических проводников 1 и 2 (фиг.1), из (11) получаем:and also once again neglecting the distance 2b between adjacent ends 8 and 9 of the cylindrical conductors 1 and 2 (Fig. 1), from (11) we obtain:

Figure 00000032
Figure 00000032

Поскольку векторный потенциал

Figure 00000033
электрического тока заявляемого дипольного излучателя имеет только проекцию на ось Z (иными словами: только продольную составляющую
Figure 00000034
, касательную к боковой поверхности цилиндрических проводников 1 и 2), то это позволяет, исходя из уравнений (7) и (8), получить интегро-дифференциальное уравнение относительно неизвестного пока еще закона изменения (распределения) «нитевидного» электрического тока
Figure 00000035
, текущего вдоль проводников 1 и 2 по их оси z' (совпадающей с осью z):Since the vector potential
Figure 00000033
electric current of the inventive dipole emitter has only a projection onto the Z axis (in other words: only the longitudinal component
Figure 00000034
tangent to the lateral surface of cylindrical conductors 1 and 2), this allows, based on equations (7) and (8), to obtain an integro-differential equation with respect to the yet unknown law of change (distribution) of the “filamentary” electric current
Figure 00000035
flowing along conductors 1 and 2 along their z axis (coinciding with the z axis):

Figure 00000036
Figure 00000036

После ряда преобразований последнее уравнение приводится к виду (от «штрихованной» координаты z' целесообразно вернуться к «нештрихованной» z на основании методики, описанной в работе: Кочержевский Г.Н., «Антенно-фидерные устройства», М.: Связь, 1972, стр.57):After a series of transformations, the last equation is reduced to the form (it is advisable to return from the "hatched" z 'coordinate to the "unshaded" z based on the technique described in the work: Kocherzhevsky GN, “Antenna-feeder devices”, M .: Communication, 1972 p. 57):

Figure 00000037
Figure 00000037

здесь С - произвольная константа;

Figure 00000038
- функционал тока вдоль излучателя; χ - малый параметр (параметр «тонкоцилиндровости» проводников 1 и 2):here C is an arbitrary constant;
Figure 00000038
- current functional along the emitter; χ is a small parameter (the "thin cylinder" parameter of conductors 1 and 2):

Figure 00000039
Figure 00000039

Если радиус проводников 1 и 2 мал, χ стремится к нулю

Figure 00000040
и уравнение (15) примет вид:If the radius of conductors 1 and 2 is small, χ tends to zero
Figure 00000040
and equation (15) takes the form:

Figure 00000041
Figure 00000041

Полученное дифференциальное уравнение (17) является усеченным вариантом однородного линейного дифференциального уравнения n-го порядка:The resulting differential equation (17) is a truncated version of a homogeneous linear differential equation of the nth order:

Figure 00000042
Figure 00000042

где n=2; p1(x)=0; р2(х)=к2; y=I

Figure 00000043
; x=z. При этом предполагается, что как первая, так и вторая производные тока I
Figure 00000044
(z) непрерывны на отрезке [-l≤z≤l]. Как известно из курса высшей математики, фундаментальная система решений общего уравнения (18) формируется из линейной комбинации n любых линейно-независимых частных решений. Упомянутую фундаментальную систему принято формировать по методу Эйлера, согласно которомуwhere n = 2; p 1 (x) = 0; p 2 (x) = k 2 ; y = I
Figure 00000043
; x = z. It is assumed that both the first and second derivatives of the current I
Figure 00000044
(z) are continuous on the interval [-l≤z≤l]. As is known from the course of higher mathematics, the fundamental system of solutions to the general equation (18) is formed from a linear combination of n any linearly independent particular solutions. It is customary to form the aforementioned fundamental system according to the Euler method, according to which

Figure 00000045
Figure 00000045

что при n=2 дает:that for n = 2 gives:

Figure 00000046
Figure 00000046

Далее решается характеристическое уравнение:Next, the characteristic equation is solved:

Figure 00000047
Figure 00000047

имеющее чисто мнимые корни:

Figure 00000048
having purely imaginary roots:
Figure 00000048

дающее общее решение (20) дифференциального уравнения (17)giving a general solution (20) of differential equation (17)

относительно «нитевидного» тока проводимости I

Figure 00000044
(z), текущего по оси проводников 1 и 2 (фиг.1), причем далее верхний индекс «э» в обозначениях тока и других величин с целью сокращения записи опускается:relative to the "filiform" conduction current I
Figure 00000044
(z), current along the axis of the conductors 1 and 2 (figure 1), and then the superscript "e" in the designations of the current and other quantities in order to reduce the record is omitted:

Figure 00000049
Figure 00000049

Здесь C1 и C2 - пока еще произвольные постоянные, которые конкретизируются исходя из следующих граничных условий, налагаемых на распределение тока Iz(z):Here C 1 and C 2 are still arbitrary constants, which are concretized on the basis of the following boundary conditions imposed on the current distribution I z (z):

a) на смежных концах 8 и 9 проводников 1 и 2 (фиг.1) ток проводимости становится равным нулю, что при условии b<<1 формулируется как:a) at the adjacent ends of 8 and 9 of conductors 1 and 2 (Fig. 1), the conductivity current becomes equal to zero, which under the condition b << 1 is formulated as:

Figure 00000050
Figure 00000050

b) на удаленных концах 10 и 11 проводников 1 и 2, соединенных с противофазными выходами 6 и 7 симметрирующего устройства 4 (фиг.1), амплитуда тока равна Il:b) at the remote ends 10 and 11 of the conductors 1 and 2 connected to the antiphase outputs 6 and 7 of the balancing device 4 (figure 1), the current amplitude is I l :

Figure 00000051
Figure 00000051

Таким образом, внутренняя задача применительно к рассматриваемому дипольному излучателю решена, что позволяет с учетом (26) и (27) записать выражения для «нитевидного» тока проводимости Iz(z), текущего по оси проводников 1 и 2 (фиг.1) в виде:Thus, the internal problem with respect to the considered dipole emitter is solved, which allows taking into account (26) and (27) to write the expressions for the "filamentary" conduction current I z (z) flowing along the axis of conductors 1 and 2 (Fig. 1) in form:

Figure 00000052
Figure 00000052

а также приступить к решению внешней задачи. Следует при этом отметить, что ток проводимости Iz(z) распределен вдоль оси z по синусоидальному закону с амплитудой синусоиды (другими словами: с пучностью тока) Im=Il/sin(k·l), где Il - амплитуда тока на удаленных концах 10 и 11 проводников 1 и 2 [фиг.1, см. также условие (25)].and also begin to solve the external problem. It should be noted that the conductivity current I z (z) is distributed along the z axis according to a sinusoidal law with the amplitude of the sine wave (in other words: with the antinode of the current) I m = I l / sin (k · l), where I l is the current amplitude at the remote ends 10 and 11 of conductors 1 and 2 [Fig. 1, see also condition (25)].

Решение внешней задачи начинается с получения уравнения диаграммы направленности FE заявляемого дипольного излучателя (фиг.1), характеризующей электромагнитное поле в произвольной точке P(x, y, z) наблюдения, находящейся в дальней зоне Фраунгофера, где

Figure 00000053
,
Figure 00000054
- есть радиус - вектор точки наблюдения. В соответствии с общепринятой методикой, совместим, согласно вышеупомянутой работы «Антенны», раздел 2.4, начало сферической системы координат (R, θ, φ) с началом декартовой системы (x, y, z), изображенном на фиг.1 посредине между смежными концами 8 и 9 проводников 1 и 2. Поскольку ток в заявляемом излучателе течет только в направлении оси z [см. формулу (28)], то векторный потенциал
Figure 00000055
в дальней зоне Фраунгофера будет иметь также только z - составляющую
Figure 00000056
, равную согласно (13):The solution of the external problem begins with obtaining the radiation pattern equation F E of the inventive dipole emitter (Fig. 1), which characterizes the electromagnetic field at an arbitrary observation point P (x, y, z) located in the far Fraunhofer zone, where
Figure 00000053
,
Figure 00000054
- there is a radius - the vector of the observation point. In accordance with the generally accepted methodology, compatible, according to the aforementioned work of "Antennas", section 2.4, the beginning of the spherical coordinate system (R, θ, φ) with the beginning of the Cartesian system (x, y, z), shown in Fig. 1 in the middle between adjacent ends 8 and 9 of conductors 1 and 2. Since the current in the inventive emitter flows only in the direction of the z axis [see formula (28)], then the vector potential
Figure 00000055
in the far zone of Fraunhofer will also have only z - component
Figure 00000056
equal according to (13):

Figure 00000057
Figure 00000057

где

Figure 00000058
есть в данном случае разностный вектор между радиусом-вектором
Figure 00000059
(x, y, z) точки наблюдения P(x, y, z) и текущим радиусом-вектором
Figure 00000060
точки интегрирования Q(x', y', z'), перемещающейся по оси z' проводников 1 и 2 от точки z'=-l до точки z'=l. Согласно теореме косинусов и последующего разложения радикала в ряд Тейлора для дальней зоны получим (в дальней зоне используются только два элемента ряда):Where
Figure 00000058
in this case there is a difference vector between the radius vector
Figure 00000059
(x, y, z) of the observation point P (x, y, z) and the current radius vector
Figure 00000060
the integration point Q (x ', y', z ') moving along the z' axis of conductors 1 and 2 from the point z '= - l to the point z' = l. According to the theorem of cosines and the subsequent expansion of the radical in a Taylor series for the far zone, we obtain (in the far zone only two elements of the series are used):

Figure 00000061
Figure 00000061

где z'cosθ представляет собой разность хода лучей, проведенных из начала координат и из текущей точки интегрирования z' в точку наблюдения Р(x, у, z), причем текущая точка интегрирования z' мыслится как середина бесконечно малого участка dz' разбиения проводников 1 и 2 (фиг.2). Этот бесконечно малый участок рассматривается как элементарный электрический диполь Герца, структура поля которого хорошо известна (см. вышеупомянутую работу «Антенны», раздел 1-3, стр.24-26), что позволяет записать в сферической системе координат следующие уравнения для участка dz' разбиения (фиг.2):where z'cosθ is the difference in the path of the rays drawn from the origin and from the current point of integration z 'to the observation point P (x, y, z), and the current point of integration z' is thought of as the middle of an infinitesimal portion dz 'of the split of conductors 1 and 2 (FIG. 2). This infinitesimal section is considered as a Hertz elementary electric dipole, the field structure of which is well known (see the aforementioned work "Antennas", section 1-3, pp. 24-26), which allows us to write the following equations for the section dz 'in a spherical coordinate system partitions (figure 2):

Figure 00000062
Figure 00000062

Figure 00000063
Figure 00000063

где θ1 - угол между разностным вектором

Figure 00000064
и осью z в положительном ее направлении,
Figure 00000065
- волновое (характеристическое) сопротивление окружающего безграничного пространства. В дальней зоне Фраунгофера θ1≈θ; для знаменателей формул (31) и (32)
Figure 00000066
. Поэтому для суммарного электрического поля заявляемого излучателя в терминах соответствующих сферических проекций с учетом (28), (30)-(32), имеем:where θ 1 is the angle between the difference vector
Figure 00000064
and the z axis in its positive direction,
Figure 00000065
- wave (characteristic) resistance of the surrounding infinite space. In the far Fraunhofer zone, θ 1 ≈θ; for the denominators of formulas (31) and (32)
Figure 00000066
. Therefore, for the total electric field of the inventive emitter in terms of the corresponding spherical projections, taking into account (28), (30) - (32), we have:

Figure 00000067
Figure 00000067

Интегралы I1 и I2 в (33) вычисляются двукратным интегрированием по частям [см. вышеупомянутую работу «Антенны», стр.62], что дает результат:The integrals I 1 and I 2 in (33) are calculated by double integration by parts [see the aforementioned work of "Antenna", p. 62], which gives the result:

Figure 00000068
Figure 00000068

Подставляя (35) и (36) в (33), получаем для напряженности

Figure 00000069
электрического поля заявляемого излучателя в дальней зоне Фраунгофера выражение:Substituting (35) and (36) into (33), we obtain for tension
Figure 00000069
the electric field of the inventive emitter in the far zone of Fraunhofer expression:

Figure 00000070
Figure 00000070

где

Figure 00000071
Where
Figure 00000071

С учетом (32) напряженность

Figure 00000072
магнитного поля заявляемого излучателя запишется:Given (32), tension
Figure 00000072
the magnetic field of the inventive emitter is written:

Figure 00000073
Figure 00000073

Полученные уравнения свидетельствуют о том, что заявляемый дипольный излучатель, запитанный от симметрирующего устройства 4 на удаленных концах 10 и 11 проводников 1 и 2 (фиг.1), является линейно-поляризованным излучателем [формула (37)], обладающим всенаправленным свойством в плоскости вектора

Figure 00000072
магнитного поля. Свойство всенаправленности означает, что напряженность электрического поля
Figure 00000074
не зависит от угла φ, изменяющегося от 0° до 360° и отсчитываемого в плоскости XOY (фиг.1) при θ=π/2 от положительного направления оси x в сторону положительного направления оси y. Другими словами, угол φ не фигурирует в уравнениях (37)-(39). В то же время в плоскости поляризации (плоскости вектора
Figure 00000075
заявляемый излучатель обладает направленным свойством, что принято характеризовать нормированной диаграммой направленности FE излучателя по полю [см. вышеупомянутую работу «Антенны», стр.21]. С учетом (37) получаем:The obtained equations indicate that the inventive dipole emitter, powered from a balancing device 4 at the remote ends 10 and 11 of the conductors 1 and 2 (Fig. 1), is a linearly polarized emitter [formula (37)] having an omnidirectional property in the vector plane
Figure 00000072
magnetic field. The omnidirectionality property means that the electric field
Figure 00000074
does not depend on the angle φ, varying from 0 ° to 360 ° and counted in the XOY plane (Fig. 1) at θ = π / 2 from the positive direction of the x axis towards the positive direction of the y axis. In other words, the angle φ does not appear in equations (37) - (39). At the same time, in the plane of polarization (the plane of the vector
Figure 00000075
the inventive emitter has a directional property, which is customary to characterize the normalized radiation pattern F E of the emitter in the field [see the aforementioned work of "Antenna", p.21]. In view of (37), we obtain

Figure 00000076
Figure 00000076

Анализ диаграммы направленности (40) свидетельствует о том, что в интервале нормированных длин проводников 1 и 2An analysis of the radiation pattern (40) indicates that in the range of normalized lengths of conductors 1 and 2

Figure 00000077
Figure 00000077

максимум излучения ориентирован в направлении θ=π/2 (плоскость XOY на фиг.1). При этом боковые лепестки в диаграмме направленности отсутствуют, а ее ширина

Figure 00000078
по уровню половинной мощности (или по уровню
Figure 00000079
поля
Figure 00000080
) зависит от l/λ согласно фиг.3, позиция 12. При дальнейшем увеличении l/λ диаграмма направленности становится двухвершинной (т.е. раздваивается), а затем в ней появляются боковые лепестки, что объясняется появлением противофазных участков в распределении тока Iz(z) вдоль проводников 1 и 2 (фиг.1). Кроме того, при всех значениях l/λ излучение вдоль оси Z излучателя отсутствует, а вследствие осевой симметрии [угол φ отсутствует в формулах (37) и (39)] диаграмма направленности FE в плоскости XOY равномерна и в полярной системе координат представляет собой окружность единичного радиуса. Существенно также, что фаза напряженности поля в дальней зоне Фраунгофера не зависит от углов наблюдения, и поэтому заявляемый дипольный излучатель имеет фазовый центр, совпадающий с началом координат [геометрическим центром излучающих проводников 1 и 2 (фиг.1)].the radiation maximum is oriented in the direction θ = π / 2 (XOY plane in Fig. 1). In this case, the side lobes in the radiation pattern are absent, and its width
Figure 00000078
by half power level (or by level
Figure 00000079
fields
Figure 00000080
) depends on l / λ according to Fig. 3, position 12. With a further increase in l / λ, the radiation pattern becomes two-vertex (i.e., bifurcates), and then side lobes appear in it, which is explained by the appearance of antiphase sections in the current distribution I z (z) along conductors 1 and 2 (FIG. 1). In addition, for all values of l / λ, radiation along the Z axis of the emitter is absent, and due to axial symmetry [the angle φ is absent in formulas (37) and (39)] the radiation pattern F E in the XOY plane is uniform and in the polar coordinate system it is a circle unit radius. It is also significant that the phase of the field intensity in the far Fraunhofer zone does not depend on the viewing angles, and therefore, the inventive dipole emitter has a phase center that coincides with the origin [geometric center of the radiating conductors 1 and 2 (figure 1)].

Следующим шагом является расчет сопротивления излучения Rm, отнесенного к амплитуде Im тока в пучности, с последующим определением активной составляющей Rin входного импеданса излучателя. В соответствии с вышеупомянутой работой «Антенны», стр.64, для этой цели используется метод вектора Пойнтинга, который заключается в интегрировании плотности потока мощности, определяемой радиальной составляющей вектора Пойнтинга, по поверхности сферы, находящейся в дальней зоне, в центре которой находится заявляемый излучатель. Поскольку в дальней зоне оба вектора

Figure 00000081
и
Figure 00000082
ортогональны радиальному орту
Figure 00000083
, то среднее за период значение вектора Пойнтинга
Figure 00000084
имеет только радиальную составляющую. На основании материалов работы: Никольский В.В. «Математический аппарат электродинамики», М.: МИРЭА, 1973, стр.79-81, величина
Figure 00000085
определяется с использованием векторных произведений как:The next step is to calculate the radiation resistance R m , referred to the amplitude I m of the current in the antinode, with the subsequent determination of the active component R in of the input impedance of the emitter. In accordance with the aforementioned work of "Antennas", p. 64, the Poynting vector method is used for this purpose, which consists in integrating the power flux density determined by the radial component of the Poynting vector over the surface of a sphere located in the far zone in the center of which the claimed emitter . Since in the far zone both vectors
Figure 00000081
and
Figure 00000082
orthogonal to radial unit vector
Figure 00000083
, then the period average value of the Poynting vector
Figure 00000084
has only a radial component. Based on the materials of the work: Nikolsky V.V. "Mathematical apparatus of electrodynamics", Moscow: MIREA, 1973, pp. 79-81, value
Figure 00000085
defined using vector products as:

Figure 00000086
Figure 00000086

где Tс - период высокочастотного колебания на частоте fc входного сигнала [см. формулу (3)],

Figure 00000087
и
Figure 00000088
- мгновенные значения векторных гармонических функций напряженности электрического и магнитного полей;
Figure 00000089
- есть комплексная амплитуда комплексного представления
Figure 00000090
, характеризующего векторную функцию
Figure 00000087
, т.е.
Figure 00000091
Figure 00000092
- есть комплексно-сопряженная амплитуда комплексного представления
Figure 00000093
, определяющего векторную гармоническую функцию
Figure 00000088
, то есть
Figure 00000094
;
Figure 00000083
связан с ортами
Figure 00000095
и
Figure 00000096
как:
Figure 00000097
, при этом начало сферической системы координат находится по-прежнему посредине между смежными концами 8 и 9 проводников 1 и 2 (фиг.1); Re - оператор вычисления реальной части комплексного числа; ωс=2πfc. Тогда поток dPΣ вектора
Figure 00000085
через дифференциально малую площадку dS=R2·sinθ·dθ·dφ сферы определяется скалярным произведением:where T with - period of high-frequency oscillations at a frequency f c of the input signal [see formula (3)],
Figure 00000087
and
Figure 00000088
- instantaneous values of vector harmonic functions of electric and magnetic fields;
Figure 00000089
- there is a complex amplitude of the complex representation
Figure 00000090
characterizing a vector function
Figure 00000087
, i.e.
Figure 00000091
Figure 00000092
- there is a complex conjugate amplitude of the complex representation
Figure 00000093
defining a vector harmonic function
Figure 00000088
, i.e
Figure 00000094
;
Figure 00000083
associated with orts
Figure 00000095
and
Figure 00000096
as:
Figure 00000097
while the beginning of the spherical coordinate system is still in the middle between the adjacent ends 8 and 9 of the conductors 1 and 2 (figure 1); Re is the operator of calculating the real part of the complex number; ω c = 2πf c . Then the flow dP Σ of the vector
Figure 00000085
through a differentially small area dS = R 2 · sinθ · dθ · dφ of the sphere is determined by the scalar product:

Figure 00000098
Figure 00000098

где

Figure 00000099
- направленный вектор элементарной площадки dS.Where
Figure 00000099
- directional vector of the elementary site dS.

В результате излучаемая заявляемым излучателем мощность PΣ рассчитывается как поверхностный интеграл по замкнутой поверхности S сферы радиуса R:As a result, the power P Σ radiated by the claimed emitter is calculated as the surface integral over the closed surface S of a sphere of radius R:

Figure 00000100
Figure 00000100

Выполняя подстановку, с учетом (37), (42) и (43) последовательно получаем для свободного пространства, где

Figure 00000101
:Performing the substitution, taking into account (37), (42) and (43), we successively obtain for free space, where
Figure 00000101
:

Figure 00000102
Figure 00000102

В результате находится сопротивление излучения Rm, отнесенное к амплитуде тока Im в пучности (см. определение величины Rm в вышеупомянутой работе «Антенны», стр.65):As a result, the radiation resistance R m related to the current amplitude I m in antinodes is found (see the definition of R m in the aforementioned work “Antennas”, p. 65):

Figure 00000103
Figure 00000103

Несмотря на то, что в современных условиях широкого применения компьютеров любой интеграл можно рассчитать численными методами, заявитель получил следующую формулу для сопротивления излучения Rm:Despite the fact that under the current conditions of widespread use of computers, any integral can be calculated by numerical methods, the applicant received the following formula for radiation resistance R m :

Figure 00000104
Figure 00000104

где γ=0.5772… - постоянная Эйлера;

Figure 00000105
- интегральный косинус. График зависимости (47) представлен на фиг.4 сплошной линией (позиция 13). Осциллирующий характер зависимости (47) при l/λ>0.5 объясняется наличием вдоль проводников 1 и 2 (фиг.1) противофазных участков тока Iz(z).where γ = 0.5772 ... is the Euler constant;
Figure 00000105
- integral cosine. The dependence graph (47) is shown in Fig. 4 by a solid line (position 13). The oscillating nature of dependence (47) for l / λ> 0.5 is explained by the presence of antiphase current sections I z (z) along conductors 1 and 2 (Fig. 1).

При определении геометрических размеров заявляемого излучателя с целью согласования излучающих проводников 1 и 2 с характеристическим (волновым) сопротивлением ρ0 выходных плеч 6 и 7 симметрирующего устройства 4 (фиг.1) важное значение имеет сопротивление излучения, отнесенное не к пучности Im тока в проводниках 1 и 2, а к амплитуде Il тока на их удаленных концах 10 и 11 (фиг.2). Такое отнесенное к Il сопротивление излучения является не чем иным, как активной составляющей Rin комплексного входного импеданса Zin=Rin+j·Xin излучающих проводников 1 и 2. В соответствии с определением Rin [см. работу: Balanis С.А. «Antenna theory. Analysis and Design», 3-rd Edition, John Wiley & Sons, 2005, page 465] можно записать:When determining the geometric dimensions of the inventive emitter in order to match the radiating conductors 1 and 2 with the characteristic (wave) resistance ρ 0 of the output arms 6 and 7 of the balancing device 4 (Fig. 1), the radiation resistance is not related to the antinode I m of current in the conductors 1 and 2, and to the amplitude I l of the current at their remote ends 10 and 11 (FIG. 2). Such radiation resistance referred to I l is nothing more than the active component R in of the complex input impedance Z in = R in + j · X in of the radiating conductors 1 and 2. In accordance with the definition of R in [see job: Balanis S.A. "Antenna theory. Analysis and Design ”, 3rd Edition, John Wiley & Sons, 2005, page 465], you can write:

Figure 00000106
Figure 00000106

Графическая зависимость (48) активной составляющей Rin входного импеданса Zin заявляемого дипольного излучателя представлена на фиг.4 штриховой линией (позиция 14). Она свидетельствует о наличии областей резкого (резонансного) возрастания входного сопротивления Rin, что необходимо учитывать при проектировании заявляемого излучателя. При этом обе величины, как Rm(k·l), так и Rin(k·l) не зависят от радиуса а цилиндрических проводников 1 и 2 (фиг.1). Это объясняется тем, что при рассмотрении заявляемого дипольного излучателя из дальней зоны Фраунгофера невозможно отличить ось z от боковой поверхности коллинеарных цилиндрических проводников 1 и 2 [другими словами: радиус а проводников не фигурирует в формулах (46)-(48)].The graphical dependence (48) of the active component R in of the input impedance Z in of the inventive dipole emitter is shown in Fig. 4 by a dashed line (position 14). It indicates the presence of areas of sharp (resonant) increase in input resistance R in , which must be taken into account when designing the inventive emitter. In this case, both quantities, both R m (k · l) and R in (k · l) are independent of the radius a of the cylindrical conductors 1 and 2 (Fig. 1). This is because when considering the proposed dipole emitter from the far Fraunhofer zone, it is impossible to distinguish the z axis from the lateral surface of collinear cylindrical conductors 1 and 2 [in other words: the radius a of the conductors does not appear in formulas (46) - (48)].

От вышеупомянутого радиуса а существенно зависит реактивная составляющая Xin комплексного входного импеданса Zin излучающих проводников 1 и 2. Эта составляющая должна быть компенсирована при выборе геометрических размеров (настройке) заявляемого дипольного излучателя. При этом следует выбрать такое значение Rin, чтобы оно было согласовано с волновым сопротивлением ρ0 питающего коаксиального кабеля 3 и выходных плеч 6 и 7 симметрирующего устройства 4 (фиг.1). Поскольку входной импеданс Zin=Rin+j·Xin включен между противофазными плечами 6 и 7, то величина Rin должна быть в 2 раза больше ρ0:The reactive component X in of the complex input impedance Z in of the radiating conductors 1 and 2 substantially depends on the aforementioned radius a. This component must be compensated for when choosing the geometric dimensions (tuning) of the inventive dipole emitter. In this case, it is necessary to choose a value of R in such that it is consistent with the wave impedance ρ 0 of the supply coaxial cable 3 and the output arms 6 and 7 of the balancing device 4 (Fig. 1). Since the input impedance Z in = R in + j · X in is included between the antiphase arms 6 and 7, the value of R in should be 2 times greater than ρ 0 :

Figure 00000107
Figure 00000107

В случае 50-омного кабеля 3 (ρ0=50 Ом) из графика Rin (фиг.4, позиция 14) следует, что должно быть выбрано значение, равное:In the case of a 50-ohm cable 3 (ρ 0 = 50 Ohms) from the graph of R in (figure 4, position 14) it follows that the value equal to:

Figure 00000108
Figure 00000108

В результате, при заданной частоте fс [см. соотношение (1)] длина коллинеарных проводников 1 и 2 (фиг.1) рассчитывается как:As a result, at a given frequency f s [see ratio (1)] the length of the collinear conductors 1 and 2 (figure 1) is calculated as:

Figure 00000109
Figure 00000109

а затем осуществляется компенсация реактивной составляющей Xin, что требует нахождения зависимости Xin от размеров l и а проводников 1 и 2. Для получения этой зависимости используется общая методика расчета интенсивности излучения в ближней зоне излучателя, изложенная в вышеупомянутой работе «Антенны», раздел 2.6. Согласно ей, для определения создаваемой проводниками 1 и 2 (фиг.1) мощности необходимо взять произведение «нитевидного» тока Iz(z) на продольную составляющую Ez(z) вектора напряженности электрического поля на цилиндрической поверхности проводников 1 и 2 и проинтегрировать это произведение по длине проводников от -l до +l. При этом поток вектора Пойнтинга

Figure 00000110
определяется поверхностью цилиндра длиной 2·l и радиуса а, внутри которого расположены проводники 1 и 2. Сам вектор Пойнтинга
Figure 00000111
имеет две нормальные к поверхности цилиндра составляющие (радиальная составляющая Pr перпендикулярна боковой поверхности цилиндра, осевая составляющая Рz перпендикулярна поверхностям его оснований), которые в цилиндрической системе координат (r, φ, z) имеют выражения:and then the reactive component X in is compensated, which requires finding the dependence of X in on the sizes l and a of the conductors 1 and 2. To obtain this dependence, the general methodology for calculating the radiation intensity in the near zone of the emitter is used, described in the aforementioned work “Antennas”, section 2.6 . According to it, to determine the power generated by conductors 1 and 2 (Fig. 1), it is necessary to take the product of the “filamentary" current I z (z) by the longitudinal component E z (z) of the electric field vector on the cylindrical surface of conductors 1 and 2 and integrate this the product along the length of the conductors is from -l to + l. In this case, the flow of the Poynting vector
Figure 00000110
is determined by the surface of a cylinder 2 · l long and of radius a , inside which conductors 1 and 2 are located. The Poynting vector itself
Figure 00000111
has two components normal to the cylinder surface (the radial component P r is perpendicular to the side surface of the cylinder, the axial component P z is perpendicular to the surfaces of its bases), which in the cylindrical coordinate system (r, φ, z) have the expressions:

Figure 00000112
Figure 00000112

где звездочка (*) - есть знак комплексной сопряженности.where the asterisk (*) is the sign of complex conjugacy.

Поскольку вектор

Figure 00000113
и вектор
Figure 00000114
в ближней зоне не находятся в фазе, то создаваемая в этой зоне проводниками 1 и 2 (фиг.1) мощность получается комплексной, т.е. имеет активную Re[PCMPLX] и реактивную Im[PCMPLX] составляющие. Если радиус проводников 1 и 2 мал (а/l<<1), то поверхностные интегралы по основаниям цилиндра (площадь основания π·a 2) будут пренебрежимо малы и создаваемая в ближней зоне мощность определиться интегрированием только по боковой цилиндрической поверхности:Since the vector
Figure 00000113
and vector
Figure 00000114
in the near zone are not in phase, then the power created in this zone by conductors 1 and 2 (Fig. 1) is complex, i.e. has active Re [P CMPLX ] and reactive Im [P CMPLX ] components. If the radius of conductors 1 and 2 is small ( a / l << 1), then the surface integrals over the cylinder bases (base area π · a 2 ) will be negligible and the power generated in the near zone can be determined by integration only over the lateral cylindrical surface:

Figure 00000115
Figure 00000115

где вследствие симметрии распределения тока Iz(z) относительно начала координат (фиг.2) интегрирование ведется по половине цилиндра от z=0 до z=l.where, due to the symmetry of the current distribution I z (z) relative to the origin (Fig. 2), integration is carried out along the half of the cylinder from z = 0 to z = l.

Подставляя Pr из (52) и учитывая, что электромагнитное поле от координаты φ не зависит, получаем:Substituting P r from (52) and taking into account that the electromagnetic field does not depend on the coordinate φ, we obtain:

Figure 00000116
Figure 00000116

Согласно закону Ампера циркуляция вектора

Figure 00000117
по замкнутому контуру окружности цилиндра 2π·а равна охватываемому контуром току проводимости
Figure 00000118
:According to Ampere’s law, vector circulation
Figure 00000117
along the closed loop circumference of the cylinder 2π · a is equal to the conduction current covered by the loop
Figure 00000118
:

Figure 00000119
Figure 00000119

поэтому получается результат:therefore, the result is:

Figure 00000120
Figure 00000120

Аналогично дальней зоне результат интегрирования (56) можно представить в виде:Similarly to the far zone, the integration result (56) can be represented as:

Figure 00000121
Figure 00000121

откуда следует, что величинаwhence it follows that the quantity

Figure 00000122
Figure 00000122

может мыслиться как комплексный импеданс, отнесенный к пучности Im тока Iz(z), что по аналогии с (48) позволяет определить активную Rin и реактивную Xin составляющие теперь уже входного импеданса Zin=Rin+j·Xin заявляемого излучателя:can be thought of as a complex impedance related to the antinode I m of current I z (z), which, by analogy with (48), allows us to determine the active R in and reactive X in components of the input impedance Z in = R in + j · X in of the claimed emitter:

Figure 00000123
Figure 00000123

При этом следует подчеркнуть, что вещественная часть Re[PCMPLX] равна активной мощности (т.е., энергии в единицу времени), излучаемой проводниками 1 и 2 (фиг.1) и уходящей от излучателя в соответствии с его диаграммой направленности (40) по всем направлениям в окружающее свободное безграничное пространство с характеристическим сопротивлением

Figure 00000124
. Другими словами, излучаемая активная мощность не зависит от формы окружающей излучатель поверхности интегрирования: то ли это цилиндр в ближней зоне, то ли сфера в дальней зоне. Поэтому величина Rm (а значит, и Rin), определяемая интегралом (58) при радиусе а, стремящемся к нулю, должна быть равна значению, определяемому интегралом (46). И это обстоятельство следует рассматривать как вариант взаимной проверки результатов интегрирования по (46) и (58), а также как фактор, способствующий повышению степени достоверности оценки также и реактивных составляющих Хm и Xin [на сегодняшний день не известен альтернативный метод анализа, дающий уравнения для реактивных составляющих, чтобы сравнить их с (58) и (59)].It should be emphasized that the material part Re [P CMPLX ] is equal to the active power (ie, energy per unit time) emitted by conductors 1 and 2 (Fig. 1) and leaving the radiator in accordance with its radiation pattern (40 ) in all directions to the surrounding free infinite space with characteristic resistance
Figure 00000124
. In other words, the radiated active power does not depend on the shape of the integration surface surrounding the emitter: either it is a cylinder in the near zone, or a sphere in the far zone. Therefore, the value R m (and hence the R in), defined by the integral (58) with radius a, tending to zero, must be equal to the value determined by the integral (46). And this circumstance should be considered as a variant of mutual verification of the integration results according to (46) and (58), and also as a factor contributing to an increase in the degree of reliability of the assessment of the reactive components X m and X in as well [an alternative analysis method is not known that gives equations for reactive components to compare them with (58) and (59)].

Для продолжения формирования искомой зависимости Хm от размеров l и а проводников 1 и 2 (фиг.1), следует конкретизировать общие формулы, приведенные в вышеупомянутой работе «Антенны» раздел 2.5. Найдем прежде всего составляющую Еz, фигурирующую в комплексном импедансе (58):To continue the formation of the desired dependence of X m on the sizes l and a of conductors 1 and 2 (Fig. 1), the general formulas given in the aforementioned work "Antennas" section 2.5 should be specified. First of all, we find the component E z that appears in the complex impedance (58):

Figure 00000125
Figure 00000125

где Az - составляющая векторного потенциала в произвольной точке М наблюдения в ближней зоне (фиг.5, позиция 15):where A z is the component of the vector potential at an arbitrary observation point M in the near field (Fig. 5, position 15):

Figure 00000126
Figure 00000126

Интегрирование в (61) производится от z'=0 до z'=l, так как равны токи в обоих проводниках 1 и 2 (фиг.1) в точках, симметрично отстоящих от начала координат и находящихся от точки М на расстояниях (фиг.5):Integration in (61) is performed from z '= 0 to z' = l, since the currents in both conductors 1 and 2 (Fig. 1) are equal at points symmetrically spaced from the origin and located at a distance from point M (Fig. 5):

Figure 00000127
Figure 00000128
Figure 00000127
Figure 00000128

Подставляя (62) в (60) и принимая во внимание очевидные равенстваSubstituting (62) into (60) and taking into account the obvious equalities

Figure 00000129
;
Figure 00000130
Figure 00000129
;
Figure 00000130

получаем:we get:

Figure 00000131
Figure 00000131

Дважды интегрируя последнее выражение по частям, находим:Double integrating the last expression in parts, we find:

Figure 00000132
Figure 00000132

Figure 00000133
Figure 00000133

Рассмотрим составляющие (65) отдельно. Непосредственной подстановкой убеждаемся, что первое внеинтегральное слагаемое в нижнем пределе z'=0 равно нулю:We consider the components of (65) separately. By direct substitution, we see that the first non-integral term in the lower limit z '= 0 is equal to zero:

Figure 00000134
Figure 00000134

а в верхнем пределе z'=l определяется как:and in the upper limit z '= l is defined as:

Figure 00000135
Figure 00000135

Второе внеинтегральное слагаемое, фигурирующее в (65), содержит первую производную

Figure 00000136
. Принимая во внимание ранее найденное распределение тока Iz(z')=±Imsin(k·z') [формула (28)], получаем выражение для второго слагаемого в (65):The second nonintegral term in (65) contains the first derivative
Figure 00000136
. Taking into account the previously found current distribution I z (z ') = ± Im m sin (k · z') [formula (28)], we obtain the expression for the second term in (65):

Figure 00000137
Figure 00000137

где

Figure 00000138
.Where
Figure 00000138
.

Третье слагаемое в (65), являющееся определенным интегралом, исчезает из-за обращения в тождественный нуль согласно условию (17) первого множителя в квадратных скобках.The third term in (65), which is a definite integral, disappears due to vanishing according to condition (17) of the first factor in square brackets.

На заключительном этапе вычислений используется формула (58), куда следует подставить (65), (67) и (68) при r=а [а - радиус проводников 1 и 2 (фиг.1)], а также распределение тока Iz(z) согласно (28). Выполнив преобразования с учетом k/ω·ε0·εr=W=120π [Ом], найдем, что составляющие комплексных импедансов проводников 1 и 2 равны:At the final stage of the calculations, formula (58) is used, where (65), (67) and (68) should be substituted for r = a [ a is the radius of conductors 1 and 2 (Fig. 1)], as well as the current distribution I z ( z) according to (28). Having performed the transformations taking into account k / ω · ε 0 · ε r = W = 120π [Ohm], we find that the components of the complex impedances of conductors 1 and 2 are equal to:

Figure 00000139
Figure 00000140
Figure 00000139
Figure 00000140

Вычисления вышеприведенных интегралов целесообразно провести численным методом, например методом численного интегрирования для равноотстоящих узлов с применением правила Симпсона, описанном в работе: Корн Г., Корн Т., «Справочник по математике для научных работников и инженеров», М.: Наука, 1974, раздел 20.7-2, таблица 20.7-1, вторая строка - правило Симпсона. В результате можно убедиться, что формула (69) для величины Rm при достаточно малом радиусе а (например, а=0.0001·l) дает те же значения, что и формула (47). Это свидетельствует об адекватности используемого подхода и сообщает необходимую степень достоверности расчету реактивных составляющих Хm и Xin входного импеданса [формулы (70) и (71)], результаты которого представлены на фиг.6 сплошными (позиция 16, величина Хm) и штриховыми (позиция 17, величина Xin) линиями. Осциллирующий характер зависимости Xm(kl) при l/λ>0.5 объясняется наличием вдоль проводников 1 и 2 (фиг.1) противофазных участков тока (фиг.2, фиг.5). Кроме того, при оптимальном значении l/λ [см. условие (50)] наблюдается значительная емкостная составляющая входного импеданса, которая должна быть скомпенсирована.It is advisable to calculate the above integrals by a numerical method, for example, by numerical integration for equally spaced nodes using the Simpson rule described in: Korn G., Korn T., “A Handbook of Mathematics for Scientists and Engineers”, M .: Nauka, 1974, section 20.7-2, table 20.7-1, the second line is the Simpson rule. As a result, we can verify that formula (69) for the value of R m with a sufficiently small radius a (for example, a = 0.0001 · l) gives the same values as formula (47). This indicates the adequacy of the approach used and provides the necessary degree of reliability for calculating the reactive components X m and X in of the input impedance [formulas (70) and (71)], the results of which are shown in Fig. 6 as solid (position 16, value X m ) and dashed (position 17, value X in ) by lines. The oscillating nature of the dependence X m (kl) for l / λ> 0.5 is explained by the presence of antiphase current sections along conductors 1 and 2 (Fig. 1) (Fig. 2, Fig. 5). In addition, with the optimal value of l / λ [see condition (50)] there is a significant capacitive component of the input impedance, which must be compensated.

В результате обеспечивается требуемое согласование излучателя с коаксиальными кабелями стандартного волнового сопротивления ρ0=50 или 75 Ом. При этом структура заявляемого дипольного излучателя, отличительной особенностью которого является полное отсутствие каких-либо проводников или диэлектриков вблизи излучающих коллинеарных цилиндрических проводников 1 и 2 (фиг.1), такова, что при выполнении условия согласования (49) обеспечивается беспрепятственная возможность использования любых симметрирующих устройств в режиме бегущих волн, а также повышается уровень технологичности сборочных, монтажных и компоновочных работ.As a result, the required matching of the emitter with coaxial cables of standard wave impedance ρ 0 = 50 or 75 Ohms is provided. The structure of the inventive dipole emitter, the distinguishing feature of which is the complete absence of any conductors or dielectrics near the emitting collinear cylindrical conductors 1 and 2 (Fig. 1), is such that, when the matching condition (49) is fulfilled, the unhindered possibility of using any balancing devices in the mode of traveling waves, and also increases the level of manufacturability of assembly, installation and layout works.

Для экспериментальных исследований по данным графиков фиг.4 и фиг.6 был изготовлен дипольный излучатель для работы на частоте fс=880 МГц с питающим коаксиальным кабелем, имеющим волновое сопротивление ρ0=50 Ом. В качестве симметрирующего устройства 4 (фиг.1) использовался классический 3-дБ четвертьволновый полосковый направленный ответвитель. Для его реализации применялся листовой фольгированный диэлектрик ФАФ-4 (εr=2.5) толщиной 2 мм, помещенный в металлический корпус соответствующего типоразмера. Процедура проектирования и изготовления четвертьволновых ответвителей хорошо известна (например, она описана в работе: под ред. А.Л.Фельдштейна, «Справочник по элементам полосковой техники», М.: Связь, 1979, раздел 3) и поэтому здесь не приводится.For experimental studies, according to the graphs of Figures 4 and 6, a dipole emitter was manufactured for operation at a frequency f c = 880 MHz with a supply coaxial cable having a wave impedance ρ 0 = 50 Ohms. As a balancing device 4 (FIG. 1), a classic 3-dB quarter-wave strip directional coupler was used. For its implementation, a FAF-4 sheet foil insulator (ε r = 2.5) with a thickness of 2 mm was placed in a metal case of the corresponding standard size. The procedure for designing and manufacturing quarter-wave couplers is well known (for example, it is described in the work: edited by A. L. Feldstein, “A Guide to Elements of Strip Technology,” Moscow: Svyaz, 1979, section 3) and therefore is not given here.

В результате корпус симметрирующего устройства 4, удаленный от оси z излучающих проводников 1 и 2 (фиг.1) на расстояние SR, играет роль рефлектора и оказывает влияние на формирование диаграммы направленности в целом излучателя. Целесообразно подобрать расстояние SR так, чтобы вносимое металлическим корпусом симметрирующего устройства 4 реактивное сопротивление Х4 было индуктивным и компенсировало бы часть емкостного реактивного сопротивления Xin проводников 1 и 2. Оставшуюся часть реактивного сопротивления Xin можно компенсировать, воспользовавшись рекомендацией вышеупомянутой работы «Антенны», стр.117, 3-ий абзац, согласно которой на концах 10 и 11 коллинеарных проводников 1 и 2 (фиг.1) для компенсации и настройки включаются последовательные реактивные сопротивления индуктивного характера, не связанные с процессом излучения. Исключение компенсирующих последовательных индуктивных реактивностей из процесса излучения обеспечивается реализацией этих индуктивностей в виде короткозамкнутой коаксиальной линии, помещенной, согласно рекомендациям работы: Kraus J. D., "Antennas", Mc. Graw-Hill Book Co., Inc., N.-Y., Toronto, London, 1950, pp.426-428, внутри цилиндрических проводников 1 и 2 (фиг.7). С учетом обозначений, приведенных на фиг.7, можно определить входное сопротивление Z* коаксиальной линии длиной l* как:As a result, the body of the balancing device 4, remote from the z axis of the radiating conductors 1 and 2 (Fig. 1) by the distance S R , plays the role of a reflector and affects the formation of the radiation pattern as a whole of the emitter. It is advisable to choose the distance S R so that the reactance X 4 introduced by the metal body of the balancing device 4 is inductive and compensates for part of the capacitive reactance X in of conductors 1 and 2. The remaining reactance X in can be compensated by using the recommendation of the aforementioned work "Antennas" , p. 117, 3rd paragraph, according to which at the ends 10 and 11 of the collinear conductors 1 and 2 (Fig. 1), serial reactive resistances are switched on for compensation and adjustment Inductive nature, not related to the radiation process. The elimination of compensating series inductive reactances from the radiation process is ensured by the implementation of these inductances in the form of a short-circuited coaxial line, placed, according to the recommendations of the work: Kraus JD, "Antennas", Mc. Graw-Hill Book Co., Inc., N.-Y., Toronto, London, 1950, pp. 426-428, inside cylindrical conductors 1 and 2 (Fig. 7). Given the notation shown in Fig.7, it is possible to determine the input impedance Z * of a coaxial line of length l * as:

Figure 00000141
Figure 00000141

Таким образом, подбирая (настраивая излучатель) расстояние SR (фиг.1), длину l* (фиг.7), диаметр D=2a цилиндрических проводников 1 и 2 (фиг.1), а также диаметры D* и d* внутренней коаксиальной линии, можно полностью компенсировать составляющую Xin [формула (71)]:Thus, choosing (adjusting the emitter) the distance S R (Fig. 1), the length l * (Fig. 7), the diameter D = 2 a of the cylindrical conductors 1 and 2 (Fig. 1), as well as the diameters D * and d * internal coaxial line, you can fully compensate for the component X in [formula (71)]:

Figure 00000142
Figure 00000142

а с учетом согласования активной составляющей [формула (49)] можно обеспечить входной коэффициент отражения симметрирующего устройства 4 весьма близким к нулю. Указанный подбор (настройка) размеров обеспечивается численной оптимизацией с использованием пакета программ трехмерного электродинамического моделирования "WIPL-D", свободно продающегося на рынке программных продуктов в виде приложения на компакт-диске к работе: В.М.Kolundzja, J.S.Ognjanovic, and Т.К.Sarkar, "WIPL-D: Microwave circuit and 3D EM simulation for RF and microwave applications. Software and User's manual", Norwood, MA: Artech House, 2005.and taking into account the matching of the active component [formula (49)], it is possible to provide an input reflection coefficient of the balancing device 4 very close to zero. The specified selection (adjustment) of sizes is provided by numerical optimization using the WIPL-D three-dimensional electrodynamic modeling software package, freely available on the software market as an application on a CD to work: V.M. Kolundzja, JSOgnjanovic, and T. K. Sarkar, "WIPL-D: Microwave circuit and 3D EM simulation for RF and microwave applications. Software and User's manual", Norwood, MA: Artech House, 2005.

В результате решения задачи оптимизации для частоты fc=880 МГц и волнового сопротивления ρ0=50 Ом найдены следующие оптимальные размеры заявляемого излучателя (в миллиметрах):As a result of solving the optimization problem for the frequency f c = 880 MHz and wave impedance ρ 0 = 50 Ohm, the following optimal dimensions of the inventive radiator were found (in millimeters):

Figure 00000143
Figure 00000143

при этом длина l коллинеарных проводников 1 и 2 (фиг.1) согласно формуле (51) равна: l=0.289λс=98.5 мм. Результаты электродинамического моделирования с этими размерами представлены на фиг.8 [линия поз.18 - возвратные потери (return loss) S11 (дБ), линия поз.19 - развязка S14 (дБ) нерабочего диагонального плеча полоскового направленного ответвителя, используемого в качестве симметрирующего устройства 4]. На последующих фигурах представлены диаграммы направленности: а) в плоскости yoz электрического вектора

Figure 00000144
для основной поляризации (фиг.9, сплошная линия поз.20); б) в плоскости yoz для кросс-поляризации (фиг.10, сплошная линия поз.21); в) в плоскости хоу магнитного вектора
Figure 00000145
для основной поляризации (фиг.11, сплошная линия поз.22); г) в плоскости хоу для кросс-поляризации (фиг.12, сплошная линия поз.23).the length l of the collinear conductors 1 and 2 (Fig. 1) according to formula (51) is equal to: l = 0.289λ s = 98.5 mm. The results of electrodynamic modeling with these dimensions are presented in Fig. 8 [line pos. 18 - return loss S 11 (dB), line pos. 19 - isolation S 14 (dB) of the inoperative diagonal arm of the strip directional coupler used as balancing device 4]. The following figures show radiation patterns: a) in the yoz plane of the electric vector
Figure 00000144
for the main polarization (Fig. 9, solid line, item 20); b) in the yoz plane for cross-polarization (Fig. 10, solid line, item 21); c) in the plane of the magnetic vector
Figure 00000145
for the main polarization (Fig. 11, solid line, item 22); d) in the hou plane for cross-polarization (Fig. 12, solid line, item 23).

Экспериментальные исследования диаграмм направленности проводились в антенной лаборатории с пониженным уровнем отражений радиоволн от ее стен и потолка, облицованных радиопоглотителем, с использованием генератора СВЧ, измерительного приемника SMV 8.5 [Selectives Microvoltmeter 26…1000 MHz, фирма RPT, VEB Messeelektronic, Berlin, Fabr. - Nr. 07227] и приемной рупорной антенны с линейной поляризацией. В этой же лаборатории измерялись возвратные потери S11 (дБ) и развязка S14 (дБ) с применением измерителя комплексных коэффициентов передачи Р4-11 (заводской №02699, 1984 год), генераторный блок которого использовался в качестве источника СВЧ-сигнала при измерении диаграмм направленности в дальней зоне Фраунгофера.The experimental studies of radiation patterns were carried out in an antenna laboratory with a reduced level of reflection of radio waves from its walls and ceiling, lined with a radio absorber, using a microwave generator, measuring receiver SMV 8.5 [Selectives Microvoltmeter 26 ... 1000 MHz, RPT, VEB Messeelektronic, Berlin, Fabr. - Nr. 07227] and a linearly polarized receiving horn antenna. In the same laboratory, the return loss S 11 (dB) and the isolation S 14 (dB) were measured using a complex transmission coefficient meter P4-11 (factory No. 02699, 1984), the generator unit of which was used as a microwave signal source for measuring the diagrams directivity in the far zone of Fraunhofer.

Результаты экспериментальных исследований приведены на фиг.8-фиг.12. На фиг.8 кружочками (поз.24) показаны возвратные потери S11 (дБ), а крестиками (поз.25) - развязка S14 (дБ). Далее кружочками показаны: на фиг.9 (поз.26) - основная поляризация в плоскости yoz, на фиг.10 (поз.27) - кросс-поляризация в плоскости yoz, на фиг.11 (поз.28) - основная поляризация в плоскости хоу, на фиг.12 (поз.29) - кросс-поляризация в плоскости хоу.The results of experimental studies are shown in Fig.8-Fig.12. On Fig circles (pos.24) shows the return loss S 11 (dB), and crosses (pos.25) - isolation S 14 (dB). Further, the circles show: in Fig. 9 (pos. 26) - the main polarization in the yoz plane, in Fig. 10 (pos. 27) - the cross-polarization in the yoz plane, in Fig. 11 (pos. 28) - the main polarization in the plane of hou, Fig (pos. 29) - cross-polarization in the plane of hou.

Полученные результаты свидетельствуют об адекватности методики расчета данным натурного эксперимента и о перспективности заявляемого дипольного излучателя для практического использования как в качестве самостоятельной антенны, так и в многоэлементных директорных, логопериодических и турникетных антеннах. При этом с противофазными выходами 6 и 7 симметрирующего устройства 4 (фиг.1) соединены удаленные концы 10 и 11 коллинеарных цилиндрических проводников 1 и 2, что не создает трудностей при использовании любых симметрирующих устройств с разнесенными в пространстве выходами и устраняет необходимость разработки специализированных (модификации существующих) симметрирующих устройств со смежными выходами. Общая компоновка заявляемого дипольного излучателя (фиг.1) свидетельствует о его хорошей адаптации к посадочным местам на объекте установки и позволяет сделать вывод о повышенной, по сравнению с прототипом, технологичности сборочных, монтажных и компоновочных работ.The results obtained indicate the adequacy of the calculation methodology with the data of a full-scale experiment and the prospects of the inventive dipole emitter for practical use both as an independent antenna and in multi-element director, log-periodic and turnstile antennas. In this case, the remote ends 10 and 11 of the collinear cylindrical conductors 1 and 2 are connected to the antiphase outputs 6 and 7 of the balancing device 4 (Fig. 1), which does not create difficulties when using any balancing devices with spatially separated outputs and eliminates the need to develop specialized (modifications existing) balancing devices with adjacent outputs. The overall layout of the inventive dipole emitter (figure 1) indicates its good adaptation to the seats at the installation site and allows us to conclude about the increased, compared with the prototype, adaptability of assembly, installation and layout works.

Кроме того, отсутствие в центральной области вблизи проводников 1 и 2 (фиг.1) каких-либо проводников способствует снижению уровня кросс-поляризационного излучения, особенно в плоскости электрического вектора

Figure 00000144
(фиг.10). Представляется, что эти преимущества заявляемого дипольного излучателя будут все более весомы по мере увеличения рабочей частоты fс, достигающей в современных системах связи и телекоммуникаций десятков гигагерц.In addition, the absence in the central region near the conductors 1 and 2 (Fig. 1) of any conductors helps to reduce the level of cross-polarization radiation, especially in the plane of the electric vector
Figure 00000144
(figure 10). It seems that these advantages of the inventive dipole emitter will be more significant as the operating frequency f s increases, reaching tens of gigahertz in modern communication and telecommunication systems.

Claims (1)

Дипольный излучатель, содержащий два коллинеарных идентичных цилиндрических проводника, питающий коаксиальный кабель и симметрирующее устройство с входным и двумя противофазными выходными плечами, при этом смежные концы коллинеарных проводников расположены в непосредственной близости, питающий коаксиальный кабель соединен с входным плечом симметрирующего устройства, выходные плечи которого соединены с упомянутыми проводниками, отличающийся тем, что выходные плечи симметрирующего устройства подключены к удаленным концам указанных проводников. A dipole emitter comprising two collinear identical cylindrical conductors, supplying a coaxial cable and a balancing device with input and two out-of-phase output arms, while adjacent ends of the collinear conductors are located in close proximity, the supplying coaxial cable is connected to the input arm of the balancing device, the output arms of which are connected to said conductors, characterized in that the output shoulders of the balancing device are connected to the remote ends of the specified x conductors.
RU2011133738A 2011-08-10 2011-08-10 Dipole emitter RU2472261C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011133738A RU2472261C1 (en) 2011-08-10 2011-08-10 Dipole emitter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011133738A RU2472261C1 (en) 2011-08-10 2011-08-10 Dipole emitter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2472261C1 true RU2472261C1 (en) 2013-01-10

Family

ID=74871135

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011133738A RU2472261C1 (en) 2011-08-10 2011-08-10 Dipole emitter

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2472261C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2571156C2 (en) * 2014-03-20 2015-12-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" Dipole antenna
RU2743624C1 (en) * 2020-05-26 2021-02-20 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования «Новосибирский Государственный Технический Университет» Dipole end antenna

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
МАРКОВ Г.Т., САЗОНОВ Д.М. Антенны. - М.: Энергия, 1975, глава 2. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2571156C2 (en) * 2014-03-20 2015-12-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" Dipole antenna
RU2743624C1 (en) * 2020-05-26 2021-02-20 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования «Новосибирский Государственный Технический Университет» Dipole end antenna

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100836213B1 (en) Antenna, radio device, method of designing antenna, and method of measuring operating frequency of antenna
US8487821B2 (en) Methods and apparatus for a low reflectivity compensated antenna
TW201517381A (en) Compact antenna with dual tuning mechanism
CN102593585A (en) Integrated balun feed sine antenna device
Lee et al. An improved design and implementation of a broadband circularly polarized antenna
RU2432646C1 (en) Dual-band printed dipole antenna
RU2472261C1 (en) Dipole emitter
Fukasawa et al. Circular Polarization Array Antenna with Orthogonal Arrangement and Parallel Feeding by Simplified Routing Wires
Zhai et al. A quasi-planar conical antenna with broad bandwidth and omnidirectional pattern for ultrawideband radar sensor network applications
RU184249U1 (en) SLOT MICROWAVE ANTENNA
RU2571156C2 (en) Dipole antenna
Suo et al. A SIW antipodal Vivaldi array antenna design
Takizawa et al. Circular Polarization Plane Antenna Array by Anti-Parallel Arrangement with Simplified Routing Wires
RU2351042C1 (en) Printed antenna
Takizawa et al. 16-Antenna Array for Circular Polarization with Wideband Axial Ratio and Enhanced Directivity
Alekseytsev et al. An investigation of novel active phased array components
Buhtiyarov et al. Improvement of the quasi-Yagi antenna performances by using an ends-fed dipole driver
Douglas Design and Analysis of microstrip antenna for 2.4 GHz applications
RU2395877C1 (en) Quadrifilar antenna
RU2802177C1 (en) Vibrator antenna system
RU2712798C1 (en) Dual-band antenna
RU2382448C2 (en) Loop dipole
WO2001033668A1 (en) Dielectric antenna
RU2776603C1 (en) Printed dual-band dipole antenna
Guo et al. Analysis of illuminated bent microstrip line based on Baum-Liu-Tesche (BLT) equation

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160811