RU2472261C1 - Dipole emitter - Google Patents
Dipole emitter Download PDFInfo
- 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
Links
Images
Abstract
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 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 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 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 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 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 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
; ;
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
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
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
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):
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
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,
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
Во-первых, поверхностные электрические токи на проводниках 1 и 2 характеризуются только продольной составляющей с комплекснойFirst, surface electric currents on
амплитудой плотности тока . 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 , который мыслится как бесконечно тонкая токовая нить, совпадающая с осью Z в пределах -l≤z≤l. В этих пределах ток 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 . The end currents of
Во-вторых, касательная составляющая Eкac(z) вектора напряженности электрического поля, создаваемая нитью тока 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 on the side surface of perfectly conducting
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
Сформулированные утверждения позволяют дать математическую формулировку внутренней задачи заявляемого дипольного излучателя, а именно: неизвестное распределение тока создает на боковых поверхностях проводников 1 и 2 векторный потенциал только с продольной составляющей . 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 creates on the side surfaces of
где ε0, µ0 - электрическая и магнитная постоянные вакуума соответственно:where ε 0 , μ 0 are the electric and magnetic constants of vacuum, respectively:
ω - круговая частота; - орт оси Z.ω is the circular frequency; - unit of the Z axis.
Формула (8) получена исходя из общей формулы для напряженности электрического поля (x, y, z) в произвольной точке P(x, y, z) окружающего пространства, определяемой по векторному потенциалу электрического тока и векторному потенциалу магнитного тока в элементах излучателя (см. вышеупомянутую работу «Антенны», стр.15):Formula (8) is derived from the general formula for the electric field strength (x, y, z) at an arbitrary point P (x, y, z) of the surrounding space, determined by the vector potential electric current and vector potential magnetic current in the elements of the emitter (see the aforementioned work "Antennas", page 15):
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) .moreover, since b << l [conditions (5)], the contribution of the ring magnetic current in the gap between the adjacent ends 8 and 9 of
В свою очередь векторный потенциал связан с плотностью электрического тока в каждой точке Q(x', y', z'), принадлежащей излучающим элементам, соотношением, приведенном в вышеупомянутой работе «Антенны» на стр.17:In turn, the vector potential associated with electric current density at each point Q (x ', y', z ') belonging to the radiating elements, by the ratio given in the aforementioned work “Antennas” on page 17:
где - волновое число окружающего свободного пространства;Where - wave number of the surrounding free space;
- расстояние между точками наблюдения P(x, y, z) и интегрирования Q(x', y', z'); V' - объем пространства, занимаемого токами проводимости с плотностью ; интегрирование в (11) ведется только по «штрихованным» координатам x', y', z' в пределах объема V'. - 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 ; 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
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
Поскольку векторный потенциал электрического тока заявляемого дипольного излучателя имеет только проекцию на ось Z (иными словами: только продольную составляющую , 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 , текущего вдоль проводников 1 и 2 по их оси z' (совпадающей с осью z):Since the vector potential electric current of the inventive dipole emitter has only a projection onto the Z axis (in other words: only the longitudinal component tangent to the lateral surface of
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):
здесь С - произвольная константа; - функционал тока вдоль излучателя; χ - малый параметр (параметр «тонкоцилиндровости» проводников 1 и 2):here C is an arbitrary constant; - current functional along the emitter; χ is a small parameter (the "thin cylinder" parameter of
Если радиус проводников 1 и 2 мал, χ стремится к нулю и уравнение (15) примет вид:If the radius of
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:
где n=2; p1(x)=0; р2(х)=к2; y=I; x=z. При этом предполагается, что как первая, так и вторая производные тока I(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 ; x = z. It is assumed that both the first and second derivatives of the current I (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
что при n=2 дает:that for n = 2 gives:
Далее решается характеристическое уравнение:Next, the characteristic equation is solved:
имеющее чисто мнимые корни: having purely imaginary roots:
дающее общее решение (20) дифференциального уравнения (17)giving a general solution (20) of differential equation (17)
относительно «нитевидного» тока проводимости I(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 (z), current along the axis of the
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
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
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
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
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 , - 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 в дальней зоне Фраунгофера будет иметь также только z - составляющую , 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 , - 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
где есть в данном случае разностный вектор между радиусом-вектором (x, y, z) точки наблюдения P(x, y, z) и текущим радиусом-вектором 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 in this case there is a difference vector between the radius vector (x, y, z) of the observation point P (x, y, z) and the current radius vector the integration point Q (x ', y', z ') moving along the z' axis of
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
где θ1 - угол между разностным вектором и осью z в положительном ее направлении, - волновое (характеристическое) сопротивление окружающего безграничного пространства. В дальней зоне Фраунгофера θ1≈θ; для знаменателей формул (31) и (32) . 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 and the z axis in its positive direction, - wave (characteristic) resistance of the surrounding infinite space. In the far Fraunhofer zone, θ 1 ≈θ; for the denominators of formulas (31) and (32) . 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:
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:
Подставляя (35) и (36) в (33), получаем для напряженности электрического поля заявляемого излучателя в дальней зоне Фраунгофера выражение:Substituting (35) and (36) into (33), we obtain for tension the electric field of the inventive emitter in the far zone of Fraunhofer expression:
где Where
С учетом (32) напряженность магнитного поля заявляемого излучателя запишется:Given (32), tension the magnetic field of the inventive emitter is written:
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 магнитного поля. Свойство всенаправленности означает, что напряженность электрического поля 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 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
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
максимум излучения ориентирован в направлении θ=π/2 (плоскость XOY на фиг.1). При этом боковые лепестки в диаграмме направленности отсутствуют, а ее ширина по уровню половинной мощности (или по уровню поля ) 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 by half power level (or by level fields ) depends on l / λ according to Fig. 3,
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 и ортогональны радиальному орту , то среднее за период значение вектора Пойнтинга имеет только радиальную составляющую. На основании материалов работы: Никольский В.В. «Математический аппарат электродинамики», М.: МИРЭА, 1973, стр.79-81, величина 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 and orthogonal to radial unit vector , then the period average value of the Poynting vector 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 defined using vector products as:
где Tс - период высокочастотного колебания на частоте fc входного сигнала [см. формулу (3)], и - мгновенные значения векторных гармонических функций напряженности электрического и магнитного полей; - есть комплексная амплитуда комплексного представления , характеризующего векторную функцию , т.е. - есть комплексно-сопряженная амплитуда комплексного представления , определяющего векторную гармоническую функцию , то есть ; связан с ортами и как: , 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 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)], and - instantaneous values of vector harmonic functions of electric and magnetic fields; - there is a complex amplitude of the complex representation characterizing a vector function , i.e. - there is a complex conjugate amplitude of the complex representation defining a vector harmonic function , i.e ; associated with orts and as: while the beginning of the spherical coordinate system is still in the middle between the adjacent ends 8 and 9 of the
где - направленный вектор элементарной площадки dS.Where - 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:
Выполняя подстановку, с учетом (37), (42) и (43) последовательно получаем для свободного пространства, где :Performing the substitution, taking into account (37), (42) and (43), we successively obtain for free space, where :
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):
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 :
где γ=0.5772… - постоянная Эйлера; - 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; - 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
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
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
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
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:
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
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 определяется поверхностью цилиндра длиной 2·l и радиуса а, внутри которого расположены проводники 1 и 2. Сам вектор Пойнтинга 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
где звездочка (*) - есть знак комплексной сопряженности.where the asterisk (*) is the sign of complex conjugacy.
Поскольку вектор и вектор 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 and vector in the near zone are not in phase, then the power created in this zone by
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:
Согласно закону Ампера циркуляция вектора по замкнутому контуру окружности цилиндра 2π·а равна охватываемому контуром току проводимости :According to Ampere’s law, vector circulation along the closed loop circumference of the cylinder 2π · a is equal to the conduction current covered by the loop :
поэтому получается результат:therefore, the result is:
Аналогично дальней зоне результат интегрирования (56) можно представить в виде:Similarly to the far zone, the integration result (56) can be represented as:
откуда следует, что величинаwhence it follows that the quantity
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:
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 . 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
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
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):
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
Подставляя (62) в (60) и принимая во внимание очевидные равенстваSubstituting (62) into (60) and taking into account the obvious equalities
; ;
получаем:we get:
Дважды интегрируя последнее выражение по частям, находим:Double integrating the last expression in parts, we find:
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:
а в верхнем пределе z'=l определяется как:and in the upper limit z '= l is defined as:
Второе внеинтегральное слагаемое, фигурирующее в (65), содержит первую производную . 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 . 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):
где .Where .
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
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 (
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
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
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
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):
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 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 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
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 [
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
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 (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
Claims (1)
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)
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 |
-
2011
- 2011-08-10 RU RU2011133738A patent/RU2472261C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
МАРКОВ Г.Т., САЗОНОВ Д.М. Антенны. - М.: Энергия, 1975, глава 2. * |
Cited By (2)
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 |