RU2573224C2

RU2573224C2 - Compact vertical antenna array consisting of vertical dipoles spatially combined with support

Info

Publication number: RU2573224C2
Application number: RU2013144786/08A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Вячеславович Лучин; Александр Викторович Невский; Александр Михайлович Плотников; Алексей Павлович Трофимов; Вячеслав Викторович Юдин
Priority date: 2013-10-04
Filing date: 2013-10-04
Publication date: 2016-01-20
Also published as: RU2013144786A

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: invention relates to radio engineering. Disclosed is a compact vertical antenna array with construction of dipoles based on coaxial resonators, without limitations on the number of elements and amplification. The antenna array is in the form of a vertical rod which can be placed in a dielectric cover in the form of a tube. Decoupling between radiators is realised using quarter-wave coaxial resonators which structurally divide the radiators, where the length of said resonators is realised by cutting by a value defined based on the condition of compensating for stray capacitance arising between the end surfaces of adjacent dipoles. This enables to achieve independent parallel feeding of radiators when placed close to each other and compact dimensions of the antenna array.

EFFECT: setting up a parallel feed circuit; achieving the required amplification with an unlimited number of elements; and designing a simple structure.

16 cl, 11 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено, в частности, для использования в качестве передающей, приемной или приемо-передающей антенны в системах подвижной (сухопутной, воздушной, морской) радиосвязи в метровом и дециметровом диапазонах волн.The invention relates to radio engineering and is intended, in particular, for use as a transmitting, receiving or receiving-transmitting antenna in mobile (land, air, sea) radio communication systems in the meter and decimeter wavelengths.

В системах подвижной радиосвязи обычно требуется всенаправленное излучение и прием вертикально поляризованных электромагнитных волн. В ряде случаев, например, при организации подвижной радиосвязи в горных районах требуется наклон диаграммы направленности в вертикальной плоскости. При этом зачастую имеют место сложные условия эксплуатации с точки зрения воздействия климатических факторов - ветровых и гололедных нагрузок и т.д.In mobile radio communication systems, omnidirectional radiation and the reception of vertically polarized electromagnetic waves are usually required. In some cases, for example, when organizing mobile radio communications in mountainous areas, a vertical slope of the radiation pattern is required. Moreover, difficult operating conditions often occur in terms of the impact of climatic factors - wind and ice loads, etc.

Очевидно, что для реализации указанных требований к характеристикам направленности и сложных условий эксплуатации лучше всего подходит антенная решетка, конструкция которой по форме представляет собой вертикальный стержень. С точки зрения пространственных форм такое конструктивное исполнение предполагает пространственное совмещение вибраторов с несущей металлической опорой. Среди известных решений, реализующих такое исполнение, можно выделить вертикальный коаксиальный вибратор, описанный в книге Вершкова М.В., Миротворского О.Б. «Судовые антенны», 3-е изд., перераб. и доп., - Л.: Судостроение, 1990, с. 190-192, рисунок 6.3 [1]. Такой вибратор выполнен на основе четвертьволновых коаксиальных резонаторов, внешние поверхности внешнего проводника (экрана) которых используются в качестве излучающих плеч вибратора, а внутренние, электрически локально-соединенные с металлической опорой в форме трубы (далее по тексту - опора), образуют четвертьволновые изоляторы. Антенна имеет равномерную по азимуту диаграмму направленности, отвечает требованиям компактности, удобства реализации диэлектрического укрытия и установки в сложных климатических условиях. Однако потенциальные возможности, обусловленные положительными свойствами резонаторов, в данной антенне реализованы не в полной мере; реализована лишь возможность изоляции вибратора от опоры по высокой частоте (в частотной области вблизи четвертьволнового резонанса). При этом не приняты меры по взаимной изоляции (развязке) вибраторов в случае реализации на основе них компактной антенной решетки (с близкорасположенными вибраторами). По этой причине данное решение принципиально может представлять собой только одиночный вибратор. Таким образом, из недостатков, присущих решению, можно выделить малый коэффициент усиления такой антенны, типичный для одиночных вибраторов, кроме того, отсутствует возможность наклона диаграммы направленности в вертикальной плоскости.Obviously, for the implementation of these requirements for directional characteristics and difficult operating conditions, an antenna array is best suited, the design of which is a vertical rod in shape. From the point of view of spatial forms, such a design involves the spatial combination of vibrators with a supporting metal support. Among the known solutions that implement this design, one can distinguish a vertical coaxial vibrator described in the book by Vershkov MV, Mirotovsky O. B. Ship Antennas, 3rd ed., Revised. and add., - L .: Shipbuilding, 1990, p. 190-192, figure 6.3 [1]. Such a vibrator is made on the basis of quarter-wave coaxial resonators, the outer surfaces of the external conductor (screen) of which are used as the radiating arms of the vibrator, and the internal, electrically locally connected to the metal support in the form of a pipe (hereinafter referred to as the support), form quarter-wave insulators. The antenna has a uniform beam pattern in azimuth, meets the requirements of compactness, ease of implementation of dielectric shelter and installation in difficult climatic conditions. However, the potential opportunities due to the positive properties of the resonators in this antenna are not fully realized; only the possibility of isolating the vibrator from the support at a high frequency (in the frequency domain near the quarter-wave resonance) is realized. At the same time, no measures were taken for the mutual isolation (isolation) of the vibrators in the case of the implementation of a compact antenna array (with closely located vibrators) based on them. For this reason, this solution can essentially only be a single vibrator. Thus, from the disadvantages inherent in the solution, one can single out a small gain of such an antenna, typical for single vibrators, in addition, there is no possibility of tilting the radiation pattern in the vertical plane.

Из других аналогичных решений можно выделить вертикальный коаксиальный вибратор, описанный в патенте РФ №2101810, МПК⁶ H01Q 9/18, заявл. 19.02.96, опубл. 10.01.98 [2], конструкция которого схожа с описанным в книге Вершкова М.В., Миротворского О.Б. «Судовые антенны», 3-е изд., перераб. и доп., - Л.: Судостроение, 1990, с. 190-192, рисунок 6.3 [1]. Однако имеется принципиальное отличие, которое частично устраняет недостаток этого изобретения - малое усиление. Соосные опоре металлические цилиндры, образующие коаксиальные резонаторы, выполнены удлиненными, что соответствует удлинению плеч вибратора и увеличению усиления. При этом с целью обеспечения прежней частоты четвертьволнового резонанса в резонаторы введены перемычки (короткозамыкатели), а также специальная двухпроводная линия. Однако данные улучшения не снимают ограничения на число вибраторов. Вибратор, как и в антенне, описанной в книге Вершкова М.В., Миротворского О.Б. «Судовые антенны», 3-е изд., перераб. и доп., - Л.: Судостроение, 1990, с. 190-192, рисунок 6.3 [1], один, каких-либо мер по обеспечению развязки при реализации на основе антенны компактной решетки также не предусмотрено. Поэтому решение, хотя и обеспечивает увеличение усиления относительно антенны, описанной в книге Вершкова М.В., Миротворского О.Б. «Судовые антенны», 3-е изд., перераб. и доп., - Л.: Судостроение, 1990, с. 190-192, рисунок 6.3 [1], имеет в этом смысле ограниченные возможности.Among other similar solutions, one can distinguish a vertical coaxial vibrator described in RF patent No. 2101810, IPC ⁶ H01Q 9/18, decl. 02/19/96, publ. 01/10/98 [2], the design of which is similar to that described in the book of Vershkov MV, Mirotovsky O. B. Ship Antennas, 3rd ed., Revised. and add., - L .: Shipbuilding, 1990, p. 190-192, figure 6.3 [1]. However, there is a fundamental difference, which partially eliminates the disadvantage of this invention is low gain. The coaxial metal cylinders forming the coaxial resonators are elongated, which corresponds to an elongation of the vibrator arms and an increase in gain. At the same time, in order to ensure the former frequency of the quarter-wave resonance, jumpers (short-circuits), as well as a special two-wire line, are introduced into the resonators. However, these improvements do not remove the restrictions on the number of vibrators. The vibrator, as in the antenna described in the book of Vershkov M.V., Mirotovsky O.B. Ship Antennas, 3rd ed., Revised. and add., - L .: Shipbuilding, 1990, p. 190-192, figure 6.3 [1], one, any measures to ensure isolation when implementing a compact array on the basis of the antenna is also not provided. Therefore, the solution, although it provides an increase in gain relative to the antenna described in the book of Vershkov M.V., Miramotovsky O.B. Ship Antennas, 3rd ed., Revised. and add., - L .: Shipbuilding, 1990, p. 190-192, figure 6.3 [1], has in this sense limited possibilities.

Из альтернативных решений, реализующих достаточное для большинства случаев усиление, можно выделить коллинеарную антенну, описанную в книге Вершкова М.В., Миротворского О.Б. «Судовые антенны», 3-е изд., перераб. и доп., - Л.: Судостроение, 1990, с. 193-194, рисунок 6.5 [1]. Антенна представляет собой вертикальную антенную решетку из N полуволновых коаксиальных вибраторов (где N>1 - число вибраторов), совмещенных с опорой и возбуждаемых синфазно с помощью коаксиальной линии, расположенной внутри опоры. Питающая линия состоит из каскадно включенных полуволновых отрезков, места соединений которых являются точками питания вибраторов. Антенна позволяет получить требуемое усиление при теоретически неограниченном числе элементов, а также, как и описанные выше решения, отвечает требованиям удобства реализации диэлектрического укрытия. Решение, однако, имеет ряд недостатков, существенно ограничивающих область его применения. Прежде всего, ввиду особенностей коаксиальной конструкции вибраторов, будет наблюдаться неизбежная ассиметрия токов на верхнем и нижнем плечах каждого из вибраторов за счет разницы электрических длин. При этом часть опоры будет выступать продолжением верхнего плеча вибратора, что может привести к затеканию токов на опору и искажению диаграммы направленности антенны. При сближении же вибраторов неизбежно ухудшается развязка между ними за счет возрастания торцевой емкости и отсутствия специальных мер по ее компенсации. Также, недостатком является то, что антенна представляет собой антенную решетку последовательного питания, в которой вибраторы как нагрузки системы питания включены в питающую линию каскадно. При таком включении электрические длины отрезков питающей линии между вибраторами линейно зависят от частоты, в результате чего амплитуды возбуждения вибраторов могут оказаться неоптимальными. Все это крайне отрицательно сказывается на диапазонных свойствах антенны. Кроме того, при таком способе питания весьма проблематичным оказывается управление наклоном диаграммы направленности в вертикальной плоскости (без вмешательства в конструкцию излучающей части антенны). Такое управление может быть полезно, например, для реализации адаптивных антенн с высоким коэффициентом направленного действия.Of the alternative solutions that implement amplification sufficient for most cases, we can distinguish the collinear antenna described in the book by M. Vershkov and O. Mirotovsky. Ship Antennas, 3rd ed., Revised. and add., - L .: Shipbuilding, 1990, p. 193-194, figure 6.5 [1]. The antenna is a vertical antenna array of N half-wave coaxial vibrators (where N> 1 is the number of vibrators) combined with the support and excited in phase using a coaxial line located inside the support. The supply line consists of cascade-connected half-wave segments, the connection points of which are the power points of the vibrators. The antenna allows you to get the required gain with a theoretically unlimited number of elements, and also, like the solutions described above, meets the requirements for the convenience of implementing a dielectric shelter. The solution, however, has a number of disadvantages that significantly limit its scope. First of all, due to the peculiarities of the coaxial design of the vibrators, the inevitable asymmetry of the currents on the upper and lower shoulders of each of the vibrators due to the difference in electric lengths will be observed. In this case, part of the support will act as a continuation of the upper arm of the vibrator, which can lead to leakage of currents to the support and distortion of the antenna radiation pattern. When the vibrators approach each other, the isolation between them inevitably deteriorates due to an increase in the end capacitance and the absence of special measures to compensate for it. Also, the disadvantage is that the antenna is an antenna array of serial power, in which the vibrators as loads of the power system are cascaded into the supply line. With this inclusion, the electric lengths of the segments of the supply line between the vibrators linearly depend on the frequency, as a result of which the excitation amplitudes of the vibrators may not be optimal. All this extremely negatively affects the range properties of the antenna. In addition, with this method of power supply, it is very problematic to control the tilt of the radiation pattern in the vertical plane (without interfering with the design of the radiating part of the antenna). Such control may be useful, for example, for implementing adaptive antennas with a high directivity.

Наиболее близким по своей технической сущности изобретением к заявляемому изобретению является коллинеарная антенная система, описанная в патенте РФ №2157581, МПК⁷ H01Q 21/10, заявл. 26.01.1999, опубл. 10.10.2000 [3] и выбранная в нашем изобретении в качестве прототипа. Коллинеарная антенная система представляет собой вертикальную решетку из N элементов (где N>1 - число элементов), на основе бикоаксиальных (в терминологии авторов работы [3]) полуволновых вибраторов. Верхнее плечо каждого из таких вибраторов выполнено из двух коаксиально расположенных цилиндров - металлических изоляторов, ориентированных раскрывами в противоположные стороны. Внутренний цилиндр имеет длину, равную четверти средней длины волны и в верхней части электрически соединен с опорой. Внешний же цилиндр верхнего плеча имеет ту же длину и электрически соединен с нижней частью внутреннего цилиндра. Внутренняя поверхность внутреннего цилиндра образует с наружной поверхностью опоры металлический изолятор. Внешняя поверхность внутреннего цилиндра и внутренняя поверхность внешнего цилиндра также образуют металлический изолятор. Такая конструкция верхнего плеча вибратора препятствует затеканию токов на наружную поверхность несущей опоры, обеспечивая симметрию токов на верхнем и нижнем плечах вибраторов. Имеется, однако, ряд существенных недостатков решения. На первый план выступает сложность конструкции, обусловленная наличием двойного изолятора в верхнем плече каждого вибратора. Известно также, что эффективность развязки, обеспечиваемой металлическим четвертьволновым изолятором тем выше, чем больше волновое сопротивление линии, на основе которой он построен. При этом выполнение условия симметрии токов на верхнем и нижнем плечах бикоаксиального вибратора предполагает, что волновые сопротивления металлических изоляторов, входящих в состав верхнего плеча, окажутся близкими по значению. Это, в свою очередь, подразумевает взаимную пропорциональность радиусов опоры, внешнего и внутреннего цилиндров коаксиальных линий. Другими словами, радиусы при переходе от опоры к внешнему цилиндру будут увеличиваться по закону геометрической прогрессии. При сопротивлении порядка 40 Ом радиус внешнего цилиндра окажется приблизительно в 4 раза больше радиуса опоры, что приведет к ухудшению массо-габаритных характеристик, увеличению громоздкости конструкции, возрастанию парусности, играющей ключевую роль при эксплуатации в условиях сильных ветровых и гололедных нагрузок. Кроме того, большой радиус внешнего цилиндра при локальном возбуждении плеч вибратора (одна точка питания, с одинаковыми азимутальными координатами для всех N вибраторов) не только не улучшает, а, напротив, может привести к ухудшению азимутальной неравномерности диаграммы направленности антенны. В дополнение следует отметить, что решение позволяет улучшить развязку вибраторов лишь относительно опоры и становится принципиально неэффективным с точки зрения повышения взаимной развязки вибраторов. Это связано с тем обстоятельством, что для взаимной развязки определяющими являются два фактора: связь через ток, наводимый в опоре и непосредственная связь через торцевую емкость. Данное решение позволяет минимизировать только первый фактор и практически не влияет на второй, который в свою очередь становится гораздо более существенным при близком расположении коаксиальных вибраторов. Более того, переход к бикоаксиальному исполнению вибраторов по сравнению с коаксиальным при сохранении того же волнового сопротивления металлических изоляторов предполагает увеличение внешнего диаметра конструкции примерно в 2 раза. Хорошо известно, однако, что торцевая емкость С_т в этом случае будет увеличиваться пропорционально квадрату диаметра d, т.е. С_т~d². Так, при фиксированной ширине зазора между вибраторами, увеличение диаметра в 2 раза приведет к возрастанию С_т в 4 раза, что опять-таки приведет к ухудшению взаимной развязки вибраторов. Таким образом, существующие ограничения не позволяют в полной мере использовать преимущества данного решения, очерчивая довольно узкий круг его применимости.The closest in technical essence of the invention to the claimed invention is a collinear antenna system described in the patent of the Russian Federation No. 2157581, IPC ⁷ H01Q 21/10, decl. 01/26/1999, publ. 10.10.2000 [3] and selected in our invention as a prototype. A collinear antenna system is a vertical array of N elements (where N> 1 is the number of elements) based on biaxial (in the terminology of the authors of [3]) half-wave vibrators. The upper arm of each of these vibrators is made of two coaxially arranged cylinders - metal insulators oriented with openings in opposite directions. The inner cylinder has a length equal to a quarter of the average wavelength and in the upper part is electrically connected to the support. The outer cylinder of the upper arm has the same length and is electrically connected to the lower part of the inner cylinder. The inner surface of the inner cylinder forms a metal insulator with the outer surface of the support. The outer surface of the inner cylinder and the inner surface of the outer cylinder also form a metal insulator. This design of the upper arm of the vibrator prevents the flow of currents on the outer surface of the bearing support, providing symmetry of the currents on the upper and lower arms of the vibrators. There are, however, a number of significant drawbacks to the solution. Design complexity comes to the forefront due to the presence of a double insulator in the upper arm of each vibrator. It is also known that the efficiency of the isolation provided by the metal quarter-wave insulator is the higher, the greater the wave impedance of the line on which it is based. In this case, the fulfillment of the symmetry condition of the currents on the upper and lower arms of the biaxial vibrator assumes that the wave impedances of the metal insulators that make up the upper arm will be close in value. This, in turn, implies the mutual proportionality of the radii of the support, the outer and inner cylinders of the coaxial lines. In other words, the radii in the transition from the support to the outer cylinder will increase according to the law of geometric progression. With a resistance of the order of 40 Ohms, the radius of the outer cylinder will be approximately 4 times the radius of the support, which will lead to a deterioration in the mass-dimensional characteristics, an increase in the bulkiness of the structure, and an increase in windage, which plays a key role when operating in conditions of strong wind and ice loads. In addition, the large radius of the outer cylinder with local excitation of the vibrator arms (one supply point with the same azimuthal coordinates for all N vibrators) not only does not improve, but, on the contrary, can lead to a deterioration in the azimuthal irregularity of the antenna pattern. In addition, it should be noted that the solution improves the isolation of the vibrators only relative to the support and becomes fundamentally ineffective in terms of increasing the mutual isolation of the vibrators. This is due to the fact that two factors are decisive for mutual decoupling: coupling through the current induced in the support and direct coupling through the end capacitance. This solution allows you to minimize only the first factor and practically does not affect the second, which in turn becomes much more significant with the proximity of coaxial vibrators. Moreover, the transition to a biaxial design of vibrators compared to coaxial while maintaining the same wave resistance of metal insulators implies an increase in the external diameter of the structure by about 2 times. It is well known, however, that the end capacitance C _t in this case will increase in proportion to the square of the diameter d, i.e. C _t ~ d ² . So, with a fixed width of the gap between the vibrators, increasing the diameter by 2 times will increase C _{m by} 4 times, which again will lead to a deterioration in the mutual decoupling of the vibrators. Thus, the existing limitations do not allow to fully use the advantages of this solution, outlining a rather narrow circle of its applicability.

Целью настоящего изобретения является разработка компактной вертикальной антенной решетки (КВАР) из вертикальных вибраторов, пространственно совмещенных с опорой, которая в полной мере удовлетворяет всем указанным требованиям.The aim of the present invention is to develop a compact vertical antenna array (KVAR) of vertical vibrators spatially aligned with the support, which fully meets all of these requirements.

Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются:The tasks to be solved by the invention are:

- реализация равномерной по азимуту диаграммы направленности с возможностью управляемого наклона в вертикальной плоскости при обеспечении независимого возбуждения вибраторов (вследствие хорошей взаимной развязки - возможность организации схемы параллельного питания);- the implementation of a uniform azimuthal radiation pattern with the possibility of controlled tilt in the vertical plane while providing independent excitation of the vibrators (due to good mutual isolation - the possibility of organizing a parallel power circuit);

- обеспечение требуемого усиления при теоретически неограниченном числе элементов;- providing the required gain with a theoretically unlimited number of elements;

- создание простой, компактной и дешевой в изготовлении конструкции, которая бы позволила легко поместить антенну внутри диэлектрического укрытия и обеспечить возможность работы в жестких климатических условиях.- the creation of a simple, compact and cheap to manufacture design that would make it easy to place the antenna inside a dielectric shelter and provide the ability to work in harsh climatic conditions.

Сущность изобретения состоит в построении КВАР с хорошо развязанными элементами, совмещенной с опорой, без теоретических ограничений на число вибраторов и, соответственно, на усиление. При этом заявляемое решение предполагает построение вибраторов на основе коаксиальных резонаторов, но, в отличие от прототипа, реализует иной способ обеспечения развязки вибраторов, не приводящий к излишнему усложнению конструкции и ухудшению массо-габаритных характеристик. При этом заявляемое решение рационально объединяет в себе положительные свойства прототипа (а также антенн, описанных в книге Вершкова М.В., Миротворского О.Б. «Судовые антенны», 3-е изд., перераб. и доп., - Л.: Судостроение, 1990, с. 190-194, рисунок 6.3, 6.5 [1] и в патенте РФ №2101810, МПК⁶ H01Q 9/18, заявл. 19.02.1996, опубл. 10.01.1998 [2]) и обычных вибраторных антенных решеток с консольным расположением излучателей на опоре. С точки зрения пространственной формы конструкции заявляемое решение представляет собой вертикальный стержень небольшого диаметра, который достаточно просто поместить в диэлектрическое укрытие. Например, для волнового сопротивления четвертьволновых изоляторов 40 Ом:The essence of the invention consists in constructing a QWAR with well-decoupled elements, combined with a support, without theoretical restrictions on the number of vibrators and, accordingly, on amplification. At the same time, the claimed solution involves the construction of vibrators based on coaxial resonators, but, unlike the prototype, it implements a different way to ensure isolation of the vibrators, which does not lead to unnecessarily complicated design and the deterioration of mass-dimensional characteristics. At the same time, the claimed solution rationally combines the positive properties of the prototype (as well as the antennas described in the book by Vershkov MV, Mirotovsky O. B. “Ship antennas”, 3rd ed., Revised and additional, - L. : Shipbuilding, 1990, pp. 190-194, Figure 6.3, 6.5 [1] and in the patent of the Russian Federation No. 2101810, IPC ⁶ H01Q 9/18, declared 19.02.1996, publ. 10.01.1998 [2]) and conventional vibrator antenna arrays with a cantilever arrangement of emitters on a support. From the point of view of the spatial shape of the structure, the claimed solution is a vertical rod of small diameter, which is quite simple to place in a dielectric shelter. For example, for the wave impedance of quarter-wave insulators of 40 Ohms:

D₂≤2(D₁+t),D ₂ ≤2 (D ₁ + t),

где D₂ - внешний диаметр вибраторов;where D ₂ is the outer diameter of the vibrators;

D₁ - внешний диаметр несущей опоры;D ₁ - the outer diameter of the support;

t - толщина стенки плеч вибраторов.t is the thickness of the wall of the shoulders of the vibrators.

Благодаря этому достигается высокая стойкость к воздействию ветровых и гололедных нагрузок и прочих климатических факторов. Кроме того, за счет небольшого диаметра, такое решение обеспечивает круговую азимутальную диаграмму направленности при локальном возбуждении вибраторов (в одной точке по периметру с одинаковыми азимутальными координатами для всех N вибраторов φ_k=const, где k - порядковый номер вибратора). С другой стороны, заявляемое решение подобно обычной вибраторной антенной решетке может представлять собой решетку параллельного питания с хорошо развязанными элементами. Благодаря этому обеспечивается высокое усиление при достаточной диапазонности (устойчивая работа в диапазоне до 20%), возможности наклона диаграммы направленности в вертикальной плоскости и т.д.Due to this, high resistance to wind and ice loads and other climatic factors is achieved. In addition, due to the small diameter, this solution provides a circular azimuthal radiation pattern with local excitation of vibrators (at one point along the perimeter with the same azimuthal coordinates for all N vibrators φ _k = const, where k is the serial number of the vibrator). On the other hand, the claimed solution, like a conventional vibrator antenna array, can be a parallel power array with well-decoupled elements. This ensures high gain with sufficient range (stable operation in the range up to 20%), the possibility of tilting the radiation pattern in a vertical plane, etc.

Технический результат достигается построением КВАР с возможностью параллельного питания на основе близко расположенных и, одновременно, хорошо развязанных вертикальных коаксиальных вибраторов (полуволновых, удлиненных полуволновых либо волновых), причем четвертьволновые металлические изоляторы, образуемые внутренними поверхностями экрана таких вибраторов, выполнены укороченными на величину, определяемую из условия компенсации торцевой емкости вибраторов, что в совокупности с использованием самих четвертьволновых изоляторов позволяет добиться развязывающего эффекта для изоляции вибраторов друг от друга и от несущей опоры по высокой частоте.The technical result is achieved by constructing a CVAR with the possibility of parallel power supply on the basis of closely spaced and, at the same time, well decoupled vertical coaxial vibrators (half-wave, elongated half-wave or wave), and the quarter-wave metal insulators formed by the inner surfaces of the screen of such vibrators are made shortened by an amount determined from compensation conditions for the end capacitance of the vibrators, which in combination with the use of the quarter-wave insulators pos wants to achieve a decoupling effect to isolate the vibrators from each other and from the supporting support at a high frequency.

Для лучшего понимания существа заявляемого изобретения далее приводятся его пояснения с привлечением графических материалов:For a better understanding of the essence of the claimed invention, the following are its explanations using graphic materials:

фиг. 1 - пример реализации КВАР, выполненной на основе 3-х укороченных вертикальных коаксиальных полуволновых вибраторов;FIG. 1 is an example of a QWAR implementation based on 3 shortened vertical coaxial half-wave vibrators;

фиг. 2 - резонатор (плечо вибратора) в разрезе (стрелкой показана плоскость с развязывающим импедансом Z);FIG. 2 - resonator (vibrator arm) in a section (the arrow shows the plane with decoupling impedance Z);

фиг. 3 - узел питания вибратора;FIG. 3 - vibrator power unit;

фиг. 4, фиг. 5 - расчетные диаграммы направленности КВАР в вертикальной плоскости (для случая, изображенного на фиг. 1) без наклона луча на нижней и верхней частотах диапазона соответственно;FIG. 4, FIG. 5 - design patterns of QWAR in the vertical plane (for the case shown in Fig. 1) without tilting the beam at the lower and upper frequencies of the range, respectively;

фиг. 6, фиг. 7 - расчетные диаграммы направленности КВАР в вертикальной плоскости (для случая, изображенного на фиг. 1) с наклоном луча около 15° на нижней и верхней частотах диапазона соответственно;FIG. 6, FIG. 7 - design patterns of QWAR in the vertical plane (for the case shown in Fig. 1) with a beam tilt of about 15 ° at the lower and upper frequencies of the range, respectively;

фиг. 8 - пример реализации КВАР на основе вертикальных коаксиальных полуволновых вибраторов с укороченными резонаторами: (а) - модификация с утолщенными перемычками, (б) - модификация с дополнительными перемычками;FIG. 8 - an example of a QWAR implementation based on vertical coaxial half-wave vibrators with shortened resonators: (a) - modification with thickened jumpers, (b) - modification with additional jumpers;

фиг. 9 - пример реализации КВАР с удлиненными вибраторами и укороченными резонаторами;FIG. 9 is an example implementation of a QWAR with elongated vibrators and shortened resonators;

фиг. 10 - пример реализации КВАР на основе вертикальных коаксиальных волновых вибраторов с укороченными резонаторами.FIG. 10 is an example of a QWAR implementation based on vertical coaxial wave vibrators with shortened resonators.

Один из вариантов предлагаемого технического решения представляет собой систему коаксиальных четвертьволновых резонаторов, соосных опоре. Число резонаторов и, соответственно, вибраторов теоретически не ограничено (ограничения обусловлены только конструктивными соображениями). На фиг. 1 показан пример реализации такой решетки из трех вибраторов (λ - средняя длина волны). Опора 1 представляет собой металлическую трубу, установленную вертикально. На опоре, соосно с ней, установлены резонаторы 2 в количестве 6 шт. Каждый из вибраторов 3, 4, 5 образован внешними поверхностями металлических цилиндров двух смежных резонаторов. Составляющие вибратор резонаторы являются его плечами (нижним и верхним). Антенна может быть легко размещена внутри диэлектрического укрытия 6 (показано схематично).One of the options for the proposed technical solution is a system of coaxial quarter-wave resonators, coaxial support. The number of resonators and, accordingly, vibrators is theoretically unlimited (restrictions are due only to design considerations). In FIG. Figure 1 shows an example of the implementation of such a grating of three vibrators (λ is the average wavelength). The support 1 is a metal pipe mounted vertically. On the support, coaxially with it, 6 resonators 2 are installed. Each of the vibrators 3, 4, 5 is formed by the outer surfaces of the metal cylinders of two adjacent resonators. The resonators making up the vibrator are its shoulders (lower and upper). The antenna can be easily placed inside the dielectric shelter 6 (shown schematically).

Резонатор показан на фиг. 2 (здесь и на последующих фигурах диэлектрическое укрытие не показано). Он представляет собой металлический цилиндр 2, соосный опоре 1. В верхнем сечении цилиндр электрически соединен с опорой посредством перемычки 7, которая может быть выполнена в виде металлического кольца, шайбы или каким-либо иным образом. В нижнем сечении электрический контакт между резонатором и опорой отсутствует. При таком исполнении резонатора совместно с опорой образует коаксиальный шлейф, который в области частоты четвертьволнового резонанса имеет большой (по модулю) входной импеданс (импеданс Z на фиг. 2), препятствующий (в нижнем сечении резонатора) перетеканию тока с внешней поверхности цилиндра на внешнюю поверхность опоры и наоборот (развязывающий эффект).The resonator is shown in FIG. 2 (a dielectric cover is not shown here and in the following figures). It is a metal cylinder 2, coaxial to the support 1. In the upper section, the cylinder is electrically connected to the support by means of a jumper 7, which can be made in the form of a metal ring, washer, or in some other way. In the lower section, there is no electrical contact between the resonator and the support. With this design of the resonator, together with the support, it forms a coaxial loop, which in the frequency domain of the quarter-wave resonance has a large (modulo) input impedance (impedance Z in Fig. 2), which prevents (in the lower section of the resonator) the current from flowing from the outer surface of the cylinder to the outer surface supports and vice versa (decoupling effect).

Обладая указанным свойством, резонаторы выполняют функцию металлических изоляторов и обеспечивают:Having this property, resonators serve as metal insulators and provide:

1) изоляцию точек питания вибраторов, а также нижнего плеча нижнего вибратора от опоры (реализовано в прототипе);1) isolation of the power points of the vibrators, as well as the lower arm of the lower vibrator from the support (implemented in the prototype);

2) изоляцию вибраторов друг от друга (в прототипе не реализовано).2) isolation of the vibrators from each other (not implemented in the prototype).

При реализации параллельной схемы питания, как наиболее обобщенного случая, возбуждение каждого вибратора осуществляется отдельным коаксиальным фидером (кабелем). Фидеры всех вибраторов в такой схеме проложены внутри опоры. Азимуты точек питания каждого вибратора φ_k могут быть как одинаковыми - φ_k=const, так и изменяться от вибратора к вибратору с заданной периодичностью - φ_k+1=φ_k+Δφ, при этом угловые разности Δφ=360°/N, где N - число вибраторов.When implementing a parallel power circuit, as the most general case, the excitation of each vibrator is carried out by a separate coaxial feeder (cable). The feeders of all vibrators in this scheme are laid inside the support. The azimuths of the power points of each vibrator φ _k can be the same - φ _k = const, or vary from vibrator to vibrator with a given frequency - φ _{k + 1} = φ _k + Δφ, while the angular differences Δφ = 360 ° / N, where N is the number of vibrators.

Для улучшения уровня развязки с опорой ниже первого (нижнего) этажа КВАР может быть установлен дополнительный незапитываемый коаксиальный резонатор, играющий роль дополнительного изолятора, препятствующего затеканию ВЧ-токов на поверхность опоры и, соответственно, ее возбуждению. Конструктивная реализация такого резонатора не отличается от исполнения плеч вибраторов решетки. При этом, он может быть ориентирован как раскрывом вверх (в сторону вибратора), так и вниз. При ориентации раскрывом вверх, длина металлического участка от раскрыва нижнего плеча вибратора первого этажа до раскрыва дополнительного резонатора не должна превышать четверть средней длины волны рабочего диапазона во избежание сильного влияния на характеристики КВАР. Из антенной техники хорошо известно, что «рассечение» опоры на участки, близкие по длине к четвертьволновым, позволяет минимизировать ее влияние на характеристики антенны. При ориентации же резонатора раскрывом вниз, длина свободного участка опоры выбрана минимальной (менее 1/8 средней длины волны), таким образом, общая длина металлического участка, образуемого свободной частью опоры и внешней поверхностью резонатора не превышает 3/8 средней длины волны рабочего диапазона. Это позволило минимизировать влияние такого резонатора на КВАР.To improve the level of isolation with the support below the first (lower) floor of the KVAR, an additional non-powered coaxial resonator can be installed, which plays the role of an additional insulator that prevents the flow of RF currents onto the surface of the support and, accordingly, its excitation. The structural implementation of such a resonator does not differ from the design of the arms of the lattice vibrators. At the same time, it can be oriented both by opening up (towards the vibrator) and down. When oriented upward, the length of the metal section from the opening of the lower arm of the vibrator of the first floor to the opening of the additional resonator should not exceed a quarter of the average wavelength of the operating range in order to avoid a strong influence on the characteristics of the KVAR. It is well known from antenna technology that the “dissection” of a support into sections close in length to quarter-wavelengths makes it possible to minimize its effect on the characteristics of the antenna. When the cavity is oriented downward, the length of the free portion of the support is selected to be minimal (less than 1/8 of the average wavelength), thus, the total length of the metal portion formed by the free part of the support and the outer surface of the resonator does not exceed 3/8 of the average wavelength of the operating range. This made it possible to minimize the effect of such a resonator on the QWAR.

С точки зрения эксплуатационных особенностей дополнительного резонатора (особенно при ориентации его раскрывом вверх), а также резонаторов, выполняющих роль плеч вибраторов, и исполнения перемычки в виде кольца или шайбы, в конструкции перемычки предусмотрены дренажные отверстия для предотвращения накопления конденсата. Ввиду малого по сравнению с длиной волны диаметра такие отверстия не оказывают существенного влияния на взаимную развязку вибраторов и другие характеристики КВАР. Дренажные отверстия на рисунках не показаны.From the point of view of operational features of the additional resonator (especially when oriented upward), as well as resonators that act as the shoulders of the vibrators and the jumper in the form of a ring or washer, drainage holes are provided in the jumper design to prevent condensation accumulation. Due to the small diameter compared to the wavelength, such openings do not significantly affect the mutual isolation of the vibrators and other characteristics of the KVAR. Drainage holes are not shown in the figures.

На фиг. 3 показан узел питания вибратора. В сечении между нижним и верхним плечами вибратора в опоре имеется отверстие 8, к которому подводится фидер 10 данного вибратора. Экран фидера 11 (оплетка кабеля) в зоне отверстия электрически соединяется с опорой 1, а его центральный проводник 12 (центральная жила кабеля) - с нижней кромкой цилиндра верхнего плеча (точка питания вибратора 9).In FIG. 3 shows a vibrator power unit. In the section between the lower and upper arms of the vibrator in the support there is an opening 8, to which the feeder 10 of this vibrator is supplied. The feeder screen 11 (cable sheath) in the hole zone is electrically connected to the support 1, and its central conductor 12 (central core of the cable) is connected to the lower edge of the cylinder of the upper arm (power point of the vibrator 9).

На фиг. 4-7 в качестве примера приведены расчетные диаграммы направленности в вертикальной плоскости трехвибраторной антенной решетки, рассчитанной на диапазон дуплексной радиосвязи 200 МГц (поддиапазон приема) - 230 МГц (поддиапазон передачи). На фиг. 4 и фиг. 5 приведены диаграммы направленности без наклона главных лепестков (в поддиапазонах приема и передачи, соответственно); на фиг. 6 и фиг. 7 - диаграммы направленности с наклоном (также в поддиапазонах приема и передачи, соответственно). Там же приведены расчетные значения коэффициента направленного действия. Азимутальные диаграммы направленности во всех случаях - идеально круговые. Из представленных данных видно, что предлагаемое техническое решение позволяет получить характеристики, типичные для обычных вибраторных антенных решеток (включая возможность наклона диаграммы направленности).In FIG. 4-7 as an example, the calculated radiation patterns in the vertical plane of a three-vibrator antenna array, designed for a duplex radio frequency range of 200 MHz (reception sub-band) - 230 MHz (transmission sub-band). In FIG. 4 and FIG. Figure 5 shows radiation patterns without tilting the main lobes (in the reception and transmission subbands, respectively); in FIG. 6 and FIG. 7 - tilted radiation patterns (also in the reception and transmission subbands, respectively). The calculated values of the coefficient of directional action are also given there. The azimuthal radiation patterns in all cases are perfectly circular. From the presented data it can be seen that the proposed technical solution allows to obtain characteristics typical of conventional vibrator antenna arrays (including the possibility of tilting the radiation pattern).

В рассмотренном выше варианте технического решения использованы четвертьволновые коаксиальные резонаторы, совокупность которых образует решетку вертикальных коаксиальных полуволновых вибраторов. Однако техническая идея, положенная в основу данного решения, имеет все необходимые предпосылки для своего развития и создания на этой основе иных вариантов. В частности, имеется возможность укорочения лишь полостей вертикальных коаксиальных резонаторов без изменения длины вибраторов, а также различные возможности удлинения вибраторов в целях повышения усиления антенной решетки, что реализуется во втором и третьем вариантах решений заявляемого изобретения.In the embodiment of the technical solution considered above, quarter-wave coaxial resonators are used, the combination of which forms a lattice of vertical coaxial half-wave vibrators. However, the technical idea underlying this solution has all the necessary prerequisites for its development and creation of other options on this basis. In particular, it is possible to shorten only the cavities of the vertical coaxial resonators without changing the length of the vibrators, as well as various possibilities of lengthening the vibrators in order to increase the gain of the antenna array, which is implemented in the second and third versions of the solutions of the claimed invention.

Во втором варианте заявляемого решения, фиг. 8, использованы вибраторы длиной λ/2, однако, полости коаксиальных резонаторов, как и в предыдущем варианте, используются длиной менее λ/4. Это достигается либо утолщением перемычки, расположенной в верхней плоскости каждого вибратора, как это показано на фиг. 8а, либо введением дополнительной перемычки, как это показано на фиг. 8б.In a second embodiment of the claimed solution, FIG. 8, vibrators with a length of λ / 2 were used, however, the cavities of coaxial resonators, as in the previous embodiment, are used with a length of less than λ / 4. This is achieved either by thickening the jumper located in the upper plane of each vibrator, as shown in FIG. 8a, or by introducing an additional jumper, as shown in FIG. 8b.

Модификацией второго варианта заявляемого решения является конструкция, где использованы вибраторы, длиннее λ/2. Данный вариант показан на фиг. 9. Металлические цилиндры 2, образующие плечи вибраторов (внешними поверхностями) и коаксиальные резонаторы (внутренними поверхностями совместно с опорой 1), имеют длину l>λ/4.A modification of the second option of the proposed solution is a design where vibrators are used, longer than λ / 2. This embodiment is shown in FIG. 9. The metal cylinders 2, forming the shoulders of the vibrators (external surfaces) and coaxial resonators (internal surfaces together with the support 1), have a length l> λ / 4.

При этом для сохранения прежней частоты четвертьволнового резонанса металлические цилиндры 2 и опора 1 гальванически соединены между собой перемычками 7 на расстоянии от нижнего сечения резонатора меньшим λ/4. Благодаря удлинению вибраторов, обеспечивается увеличение усиления КВАР при неизменном количестве ее элементов (вибраторов) и, соответственно, без усложнения схемы питания.In order to maintain the previous frequency of the quarter-wave resonance, the metal cylinders 2 and the support 1 are galvanically connected to each other by jumpers 7 at a distance from the lower section of the resonator less than λ / 4. Due to the lengthening of the vibrators, an increase in the gain of the KVAR is ensured with a constant number of its elements (vibrators) and, accordingly, without complicating the power supply circuit.

В третьем варианте заявляемого решения использованы волновые вибраторы. Данный вариант показан на фиг. 10. Металлические цилиндры 2, образующие плечи вибраторов (внешними поверхностями) и коаксиальные резонаторы (внутренними поверхностями совместно с опорой 1), имеют длину, примерно равную λ/2. При этом плечи вибратора являются полуволновыми, а вибратор - волновым. В средней части каждого металлического цилиндра имеется перемычка 7, выполненная в виде металлического кольца, шайбы или каким-либо иным образом. В результате на основе каждого металлического цилиндра формируются два четвертьволновых коаксиальных резонатора, один из которых изолирует точку питания, а второй - конец плеча от опоры. Возбуждение вибратора в данном варианте осуществляется известным бикоаксиальным фидером 10, представляющим собой пару противофазно возбуждаемых коаксиальных фидеров. Реализация волновых вибраторов позволяет добиться максимального усиления от одного элемента решетки. При этом и усиление решетки оказывается максимизированным при данном количестве ее элементов.In the third version of the proposed solutions used wave vibrators. This embodiment is shown in FIG. 10. The metal cylinders 2, forming the shoulders of the vibrators (external surfaces) and coaxial resonators (internal surfaces together with the support 1), have a length approximately equal to λ / 2. The shoulders of the vibrator are half-wave, and the vibrator is wave. In the middle part of each metal cylinder there is a jumper 7 made in the form of a metal ring, washer, or in some other way. As a result, two quarter-wave coaxial resonators are formed on the basis of each metal cylinder, one of which isolates the feed point, and the second - the end of the shoulder from the support. The excitation of the vibrator in this embodiment is carried out by the well-known biaxial feeder 10, which is a pair of antiphase excited coaxial feeders. The implementation of wave vibrators allows you to achieve maximum gain from one element of the lattice. Moreover, the gain of the lattice is maximized for a given number of its elements.

Рассмотрим работу первого варианта заявляемого устройства (см. фиг. 3). Каждый коаксиальный вибратор, входящий в состав КВАР, питается своим независимым коаксиальным фидером, проложенным внутри опоры 1. В фидере может распространяться только Т-волна; при этом ток, вытекающий из такого фидера по центральному проводнику (ток I₁) равен току, втекающему в фидер по внутренней поверхности его экрана (ток I₂): I₁=I₂. Для тока I₁ имеются два пути распространения - внешняя и внутренняя поверхности металлического цилиндра верхнего плеча 2.1 (токи I_1.1 и I_1.2 соответственно; при этом в силу закона Кирхгофа для узла цепи I_1.1+I_1.2). Однако второй путь сопровождается возбуждением коаксиального резонатора, образующего верхнее плечо вибратора. Но, как уже отмечалось, входной импеданс резонатора (импеданс Z₁) вблизи частоты четвертьволнового резонанса велик по модулю, следовательно, ток I₁ в основном перетекает на внешнюю поверхность металлического цилиндра, возбуждая верхнее плечо вибратора, и только малая его часть перетекает на внутреннюю поверхность металлического цилиндра: |I_1.1|>>|I_1.2|. Ток I₂ также складывается из двух токов: тока I_2.1, текущего по внешней поверхности цилиндра нижнего плеча 2.2, и тока I_2.2, вытекающего из коаксиального резонатора верхнего плеча по внешней поверхности опоры. При этом |I_2.1|>>|I_2.2|, поскольку I_2.2=I_1.2. Из последнего равенства также следует, что I_2.1=I_1.1 - вибратор всегда возбуждается симметрично. А коль скоро |I_1.1|>>|I_1.2| и |I_2.1|>>|I_2.2| входной импеданс коаксиального резонатора почти не шунтирует вход вибратора, т.е. обеспечивается изоляция точки питания вибратора от опоры. Конечно, при работе в диапазоне частот какое-то шунтирующее действие резонатора всегда будет иметь место, однако его можно использовать для улучшения согласования, подобно тому, как это делается, например, в известном шунтовом вибраторе.Consider the operation of the first embodiment of the claimed device (see Fig. 3). Each coaxial vibrator included in the KVAR is powered by its independent coaxial feeder, laid inside the support 1. Only a T-wave can propagate in the feeder; the current flowing from such a feeder through the central conductor (current I ₁ ) is equal to the current flowing into the feeder along the inner surface of its screen (current I ₂ ): I ₁ = I ₂ . For current I _1, there are two propagation paths - the external and internal surfaces of the metal cylinder of the upper arm 2.1 (currents I _1.1 and I _1.2, respectively; in this case, by virtue of the Kirchhoff law for the circuit node I _1.1 + I _1.2 ). However, the second path is accompanied by the excitation of a coaxial resonator, forming the upper arm of the vibrator. But, as already noted, the input impedance of the resonator (impedance Z ₁ ) near the frequency of the quarter-wave resonance is large in magnitude, therefore, the current I ₁ mainly flows to the outer surface of the metal cylinder, exciting the upper arm of the vibrator, and only a small part of it flows to the inner surface metal cylinder: | I _1.1 | >> | I _1.2 |. Current I ₂ also consists of two currents: current I _2.1 flowing along the outer surface of the cylinder of the lower arm 2.2, and current I _2.2 flowing from the coaxial resonator of the upper arm along the outer surface of the support. Moreover, | I _2.1 | >> | I _2.2 |, since I _2.2 = I _1.2 . From the last equality it also follows that I _2.1 = I _1.1 - the vibrator is always excited symmetrically. And since soon | I _1.1 | >> | I _1.2 | and | I _2.1 | >> | I _2.2 | the input impedance of the coaxial resonator almost does not bypass the vibrator input, i.e. isolation of the vibrator power point from the support is provided. Of course, when operating in the frequency range, some kind of shunting effect of the resonator will always take place, but it can be used to improve matching, similar to how it is done, for example, in the well-known shunt vibrator.

В верхнем сечении верхнего плеча вибратора ток с внешней поверхности цилиндра резонатора по перемычке 7 свободно перетекает на опору, возбуждая ее, что нежелательно, так как может привести к асимметрии плеч вибраторов и соответствующему искажению диаграммы направленности. Указанный эффект, однако, тем слабее проявляет себя, чем ближе друг к другу расположены вибраторы, что происходит за счет уменьшения свободных участков опоры, удлиняющих верхние плечи вибраторов. Однако при достаточно близком расположении вибраторов будет наблюдаться сильная связь между ними, обусловленная наличием большой торцевой емкости. Для компенсации этой емкости с целью улучшения взаимной развязки вибраторов в предлагаемой антенной решетке параллельного питания применяются несколько укороченные коаксиальные резонаторы, выполняющие роль четвертьволновых металлических изоляторов. При этом индуктивный импеданс раскрыва таких резонаторов, реализуемый за счет укорочения, выбирается таким образом, чтобы на средней длине волны диапазона точно компенсировать емкостный импеданс, возникающий из-за влияния торцевой емкости, возникающей между раскрывом нижнего плеча k-го вибратора и перемычкой 7 верхнего плеча k-1-го вибратора. Тем самым обеспечивается изоляция вибраторов друг от друга.In the upper section of the upper arm of the vibrator, the current from the outer surface of the cylinder of the resonator through jumper 7 freely flows to the support, exciting it, which is undesirable, as it can lead to asymmetry of the arms of the vibrators and the corresponding distortion of the radiation pattern. The indicated effect, however, is the weaker manifests itself, the closer the vibrators are located to each other, which occurs due to a decrease in the free areas of the support that extend the upper arms of the vibrators. However, with a sufficiently close arrangement of the vibrators, a strong connection between them will be observed, due to the presence of a large end capacitance. To compensate for this capacity in order to improve the mutual decoupling of the vibrators in the proposed parallel array antenna array, several shortened coaxial resonators are used, which act as quarter-wave metal insulators. In this case, the inductive impedance of the opening of such resonators, which is realized due to shortening, is selected so as to precisely compensate for the capacitive impedance arising from the influence of the end capacitance arising between the opening of the lower arm of the kth vibrator and the jumper 7 of the upper arm at the average wavelength of the range k-1st vibrator. This ensures the isolation of the vibrators from each other.

Перетеканию тока с нижнего плеча нижнего (k=1) вибратора на поверхность опоры препятствует большой (по модулю) входной импеданс коаксиального резонатора, образующего это плечо (импеданс Z₂). Таким образом, обеспечивается изоляция нижнего плеча нижнего вибратора от опоры и тем самым подавляется нежелательный антенный эффект, обусловленный возбуждением опоры.The flow of current from the lower arm of the lower (k = 1) vibrator to the surface of the support is prevented by the large (modulo) input impedance of the coaxial resonator forming this arm (impedance Z ₂ ). In this way, isolation of the lower arm of the lower vibrator from the support is ensured, and thereby an undesired antenna effect due to excitation of the support is suppressed.

Изоляция вибраторов друг от друга и от опоры (точек питания и нижней кромки нижнего плеча нижнего вибратора) позволяет строить вибраторные антенные решетки вертикальной поляризации при практически идеально круговой азимутальной диаграмме направленности. Теоретические ограничения на число вибраторов отсутствуют, и это позволяет добиваться необходимого усиления при компактности вертикальных размеров решетки. Возбуждение вибраторов отдельными фидерами (параллельная схема питания) позволяет достаточно просто (как и в обычных вибраторных антенных решетках) реализовывать необходимые амплитудно-фазовые распределения питания, обеспечивая максимизацию усиления, наклон диаграммы направленности в вертикальной плоскости (при необходимости) и т.д.Isolation of the vibrators from each other and from the support (power points and the lower edge of the lower arm of the lower vibrator) allows you to build a vertical polarized antenna array with an almost perfectly circular azimuthal radiation pattern. There are no theoretical restrictions on the number of vibrators, and this allows us to achieve the necessary gain with compactness of the vertical dimensions of the grating. Excitation of vibrators by individual feeders (parallel power supply circuit) makes it possible quite simply (as in conventional vibrator antenna arrays) to realize the necessary amplitude-phase power distributions, ensuring gain maximization, radiation pattern tilt in a vertical plane (if necessary), etc.

Принцип работы второго варианта заявляемого решения аналогичен вышеописанному случаю с той лишь разницей, что укорачиваются только полости резонаторов, а длина плеч вибраторов сохраняется полуволновой либо, напротив, удлиняется. Это позволяет в некоторых пределах варьировать коэффициент усиления соответствующего вибратора при сохранении взаимной их развязки.The principle of operation of the second variant of the proposed solution is similar to the above case with the only difference being that only the cavity cavities are shortened, and the length of the vibrator arms remains half-wave or, on the contrary, lengthens. This allows, within certain limits, to vary the gain of the corresponding vibrator while maintaining their mutual isolation.

Принцип работы третьего варианта заявляемого решения также аналогичен первому случаю, однако, здесь разделение по ВЧ смежных вибраторов осуществляется более эффективным образом, поскольку на пути тока присутствует удвоенный развязывающий импеданс, формируемый соответствующими металлическими изоляторами, причем улучшение развязывающего эффекта проявляется как в узлах питания, так и между торцами смежных вибраторов. Также отличительной чертой варианта является использование симметричного питания плеч вибратора.The principle of operation of the third option of the proposed solution is also similar to the first case, however, here the separation of adjacent adjacent vibrators by RF is carried out in a more efficient way, since there is a double decoupling impedance formed by the corresponding metal insulators on the current path, and the improvement of the decoupling effect is manifested both in the power supply units and between the ends of adjacent vibrators. Also a hallmark of the option is the use of symmetrical power to the shoulders of the vibrator.

Рассмотренные физические механизмы функционирования предлагаемой КВАР соответствуют ее работе на излучение. В силу принципа взаимности те же антенные характеристики будут иметь место и в режиме приема.The considered physical functioning mechanisms of the proposed QWAR correspond to its radiation work. Due to the principle of reciprocity, the same antenna characteristics will also occur in the reception mode.

Следует учитывать, что вышеизложенное описание приведено с целью иллюстрации заявляемого изобретения, поэтому специалистам должно быть ясно, что возможны различные модификации и изменения, не противоречащие букве и духу испрашиваемого в данной заявке объема охраны.It should be borne in mind that the above description is given to illustrate the claimed invention, therefore, it should be clear to specialists that various modifications and changes are possible that do not contradict the letter and spirit of the scope of protection requested in this application.

Источники информацииInformation sources

1. Вершков М.В., Миротворский О.Б. Судовые антенны. - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1990. - 304 с.1. Vershkov M.V., Mirotovsky O.B. Ship antennas. - 3rd ed., Revised. and add. - L .: Shipbuilding, 1990. - 304 p.

2. Патент РФ №2101810 С1. Вертикальный коаксиальный вибратор. Варюхин А.С. (RU), Жиряков В.Д. (RU), Попов О.В. (RU) и др. Заявка: 96103136/09, 19.02.1996. Опубликовано: 10.01.1998. Патентообладатель: Военная академия связи (RU).2. RF patent No. 2101810 C1. Vertical coaxial vibrator. Varyukhin A.S. (RU), Zhiryakov V.D. (RU), Popov O.V. (RU) and others. Application: 96103136/09, 02/19/1996. Published: January 10, 1998. Patent holder: Military Academy of Communications (RU).

3. Патент РФ №2157581 С1. Коллинеарная антенная система бикоаксиальных полуволновых вибраторов. Колтовской С.A. (RU), Крачковский А.Б. (RU), Вандышев М.С. (RU) и др. Приоритет от 26.01.1999. Заявка: 99101810/09, 26.01.1999. Опубликовано: 10.10.2000. Патентообладатель: Государственное унитарное предприятие Воронежский научно-исследовательский институт связи (RU).3. RF patent No. 2157581 C1. Collinear antenna system of biaxial half-wave vibrators. Koltovskoy S.A. (RU), Krachkovsky A.B. (RU), Vandyshev M.S. (RU) and others. Priority from 01/26/1999. Application: 99101810/09, 01/26/1999. Published: 10.10.2000. Patent holder: State Unitary Enterprise Voronezh Scientific Research Institute of Communications (RU).

Claims

1. A compact vertical antenna array containing a supporting metal support in the form of a pipe on which N vertical vibrators are located, the upper and lower shoulders of each vibrator being made in the form of coaxial support of metal cylinders electrically connected to the support in the upper parts, characterized in that the metal cylinders that form the shoulders of all N vibrators with the outer surfaces, and the coaxial resonators together with the support are made shortened with respect to the quarter average for us waves, and the length of the free support between vibrators average less than one quarter wavelength of the operating range.

2. The antenna array according to claim 1, characterized in that below the first, if counted from below, vibrator, an additional non-powered coaxial resonator is installed, oriented upward and located, if counted from the resonator aperture plane, at a distance of less than a quarter of the average wavelength from the aperture plane lower arm vibrator.

3. The antenna array according to claim 1, characterized in that below the first, if counted from below, vibrator, an additional non-powered coaxial resonator is installed, oriented downward and located, if counted from the jumper plane, at a distance of less than a quarter of the average wavelength from the lower aperture plane shoulder vibrator.

4. The antenna array according to claim 1, characterized in that each vibrator is powered by a separate coaxial cable laid inside the support.

5. The antenna array according to claim 1, characterized in that the structural elements are placed inside the dielectric shelter in the form of a pipe.

6. A compact vertical antenna array containing a supporting metal support in the form of a pipe on which N vertical vibrators are located, the upper and lower shoulders of each vibrator being made in the form of coaxial support of metal cylinders electrically connected to the support in the upper parts, characterized in that the metal the cavity of the coaxial resonators of all N vibrators are made shortened with respect to a quarter of the average wavelength, for which jumpers are introduced into the resonators in the form of rings or washers; the length of the free section of the support between the vibrators is less than a quarter of the average wavelength of the working range.

7. The antenna array according to claim 6, characterized in that the metal cylinders forming the shoulders of the vibrators are made elongated with respect to a quarter of the average wavelength of the operating range.

8. The antenna array according to claim 6, characterized in that below the first, if counted from below, vibrator, an additional non-powered coaxial resonator is installed, oriented with an upward opening and located, if counted from the resonator aperture plane, at a distance of less than a quarter of the average wavelength from the aperture plane lower arm vibrator.

9. The antenna array according to claim 6, characterized in that below the first, if counted from below, vibrator, an additional non-powered coaxial resonator is installed, oriented downward and located, if counted from the jumper plane, less than a quarter of the average wavelength from the lower aperture plane shoulder vibrator.

10. The antenna array according to claim 6, characterized in that each vibrator is powered by a separate coaxial cable laid inside the support.

11. The antenna array according to claim 6, characterized in that the structural elements are placed inside the dielectric shelter in the form of a pipe.

12. A compact vertical antenna array containing a supporting metal support in the form of a pipe on which N vertical vibrators are located, the upper and lower arms of each vibrator being made in the form of coaxial support for metal cylinders, characterized in that each metal cylinder forming the vibrator arm has a length equal to half the average wavelength, and in the inner cavity of each cylinder a jumper is installed, made in the form of a ring or washer, equidistant from the ends of the cylinder, so that in the cavity two coaxial resonators are formed, the length of each of N such resonators being less than a quarter of the average wavelength; the length of the free section of the support between the vibrators is less than a quarter of the average wavelength of the working range.

13. The antenna array according to claim 12, characterized in that below the first, if counted from below, vibrator is installed an additional non-powered coaxial resonator, oriented upward and located, if counted from the plane of the cavity of the resonator, at a distance of less than a quarter of the average wavelength from the plane of the aperture lower arm vibrator.

14. The antenna array according to claim 12, characterized in that below the first, if counted from below, vibrator, an additional non-powered coaxial resonator is installed, oriented downward and located, if counted from the jumper plane, less than a quarter of the average wavelength from the lower aperture plane shoulder vibrator.

15. The antenna array according to claim 12, characterized in that each vibrator is powered by two separate coaxial cables laid inside the support.

16. The antenna array according to claim 12, characterized in that the structural elements are placed inside the dielectric shelter in the form of a pipe.