RU2696813C1

RU2696813C1 - Aperiodic antenna

Info

Publication number: RU2696813C1
Application number: RU2018121591A
Authority: RU
Inventors: Юрий Александрович Костычов; Ксения Алексеевна Майненгер
Original assignee: Акционерное общество "Омский научно-исследовательский институт приборостроения"
Priority date: 2018-06-13
Filing date: 2018-06-13
Publication date: 2019-08-06

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to aperiodic high-efficiency antennae. Aperiodic antenna comprises emitter and matching element. Matching element is made in the form of a surface creeping antenna element.

EFFECT: technical result consists in increase in the efficiency of low-lying full-size aperiodic antennae while maintaining the setting (overall) size and simplicity of the design; increasing the power supplied to the antenna system upper limit; in possibility of correcting the beam pattern of the antenna system, which provides radiation under high (zenith, close to 90°) elevation angles.

1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к апериодическим антеннам повышенной эффективности.The invention relates to aperiodic antennas of increased efficiency.

Известна ромбическая антенна по схеме Неймана [1], содержащая два ромба одинаковых размеров, размещенных один под другим на общих опорах (см. фиг. 1). Повышение коэффициента полезного действия (КПД) в известной антенне производится за счет повторного использования мощности, подводимой к оконечной нагрузке: а именно подключение вместо оконечной нагрузки второго излучающего элемента. При этом та доля энергии, которая у одиночной апериодической антенны поглощается оконечным сопротивлением, подается во вторичный антенный элемент и излучается.Known rhombic antenna according to the Neumann scheme [1], containing two rhombuses of the same size, placed one below the other on common supports (see Fig. 1). The increase of the efficiency (efficiency) in the known antenna is due to the reuse of the power supplied to the final load: namely, the connection instead of the final load of the second radiating element. In this case, the fraction of energy that is absorbed by a terminal impedance in a single aperiodic antenna is supplied to the secondary antenna element and radiated.

Недостатком известного способа является следующее:The disadvantage of this method is the following:

а) усложненная конструкция из-за введения возвратной (обратной) фидерной линии (см. фиг. 1, 2);a) a complicated design due to the introduction of a return (return) feeder line (see Fig. 1, 2);

б) антенная система ограничена сверху по подводимой мощности номинальной мощностью, которую может рассеять резистор R (см. фиг. 1), поскольку часть мощности, доведенная до конца вторичного излучателя, рассеивается в оконечной нагрузке, а, следовательно, при построении передающих систем согласно известного способа требуется обеспечение отведение тепловых потерь от оконечной нагрузки, что также усложняет конструкцию;b) the antenna system is limited from the top by the input power with the rated power that the resistor R can dissipate (see Fig. 1), since part of the power brought to the end of the secondary emitter is dissipated in the final load, and, therefore, when constructing the transmission systems according to the known the method requires providing the removal of heat loss from the final load, which also complicates the design;

в) сниженная эффективность вследствие полного поглощения в оконечном резисторе R доведенной до него мощности.c) reduced efficiency due to complete absorption in the terminal resistor R of the power brought to it.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является апериодическая антенна [2] (далее АА), состоящая из излучателя, расположенного над подстилающей поверхностью. Режим бегущей волны в известном устройстве организован за счет введения оконечной нагрузки R (номинал ее выбирают близким волновому сопротивлению W1) см. фиг. 2.Closest to the proposed device is an aperiodic antenna [2] (hereinafter AA), consisting of a radiator located above the underlying surface. The traveling wave mode in the known device is organized by introducing the final load R (its rating is chosen close to the wave impedance W1), see FIG. 2.

Недостатком устройства - прототипа является сниженная эффективность в диапазоне частот, где размер излучающей части не превышает длину волны, за счет поглощения мощности в оконечной нагрузке R. Также недостатком устройства прототипа является ограниченность верхнего предела подводимой мощности номинальной мощностью, которую может рассеять оконечная резистивная нагрузка R.The disadvantage of the prototype device is the reduced efficiency in the frequency range where the size of the radiating part does not exceed the wavelength due to the absorption of power in the final load R. Also, the disadvantage of the prototype device is the limited upper limit of the input power with the rated power that the terminal resistive load R. can dissipate.

Задача изобретения:Object of the invention:

1. повышение эффективности низкорасположенных полноразмерных апериодических антенн при сохранении установочного (габаритного) размера и простоты конструкции;1. increasing the efficiency of low-lying full-sized aperiodic antennas while maintaining the installation (overall) size and simplicity of design;

2. увеличение верхнего предела подводимой к антенной системе мощности;2. increase the upper limit of the power supplied to the antenna system;

3. корректирование диаграммы направленности антенной системы, обеспечивающее излучение под высокими (зенитными, близкими к 90°) углами возвышения.3. correction of the radiation pattern of the antenna system, providing radiation at high (anti-aircraft, close to 90 °) elevation angles.

Поставленная задача достигается тем, что в апериодической антенне, содержащей излучатель и согласующий элемент, согласно изобретению, согласующий элемент выполнен в виде приземного стелющегося антенного элемента.The problem is achieved in that in the aperiodic antenna containing the emitter and the matching element, according to the invention, the matching element is made in the form of a surface creeping antenna element.

На фиг. 1 представлена апериодическая симметричная антенна, выполненная согласно методу Неймана: 1 - клеммы питания (вводы антенные - место подключения излучателей к фидерному тракту или согласующему устройству). 2 - первичный излучатель апериодической антенны, на конце противоположном вводу антенному (точке 1) которого вместо резистивной нагрузки R включена возвратная (обратная) фидерная линия 4, доводящая мощность, которая должна была бы рассеяться в оконечной нагрузке, до вторичного излучателя 3.In FIG. 1 shows an aperiodic symmetric antenna made according to the Neumann method: 1 - power terminals (antenna inputs - the place where the emitters are connected to the feeder path or matching device). 2 - the primary radiator of the aperiodic antenna, at the end opposite to the input of the antenna (point 1) of which, instead of the resistive load R, a return (reverse) feeder line 4 is included, bringing the power that would have to be dissipated in the final load to the secondary radiator 3.

На фиг. 2 представлена иллюстрация сравнения методов замещения оконечных нагрузок R для несимметричной антенной системы: снизу - приземной несимметричной антенной (вторичным излучателем W2), сверху - при построении по методу Неймана, а именно введение в конструкцию возвратной (обратной) фидерной линии (ОФ), доводящей мощность от конца первичного излучателя W1 ко вторичному в данном методе W11.In FIG. Figure 2 illustrates a comparison of terminal load substitution methods R for an asymmetric antenna system: below - a surface asymmetric antenna (secondary emitter W2), above - when constructing according to the Neumann method, namely, the introduction of a return (return) feeder line (RP) into the design, bringing power from the end of the primary emitter W1 to the secondary in this method W11.

В конструкциях, выполненных по обоим методам, введен обратный провод (ОП), обеспечивающий эффективную работу антенны в местах, где заземление затруднено.In designs made by both methods, a return wire (OP) is introduced, which ensures the effective operation of the antenna in places where grounding is difficult.

На фиг. 3 представлена иллюстрация метода замещения оконечных нагрузок R приземными стелющимися несимметричными антеннами W2 (2 штуки) для симметричной антенной системы (включающей УСС - устройство согласующее и симметрирующее, и излучатели W1 - две штуки).In FIG. Figure 3 shows an illustration of the method of replacing terminal loads R with creeping creeping asymmetric antennas W2 (2 pieces) for a symmetric antenna system (including USS - matching and balancing device, and radiators W1 - two pieces).

На фиг. 4 представлены способы построения антенны с оконечными нагрузками на примере антенны VH 60/12:In FIG. 4 presents methods for constructing an antenna with terminal loads using the VH 60/12 antenna as an example:

1) с оконечными нагрузками в виде резистивных элементов R;1) with terminal loads in the form of resistive elements R;

2) с оконечными нагрузками в виде несимметричных однопроводных приземных антенн W1 и W2;2) with terminal loads in the form of asymmetric single-wire surface antennas W1 and W2;

3) с оконечными нагрузками в виде симметричных приземных дипольных антенн (комбинированный излучатель);3) with terminal loads in the form of symmetrical surface dipole antennas (combined emitter);

4) с оконечной нагрузкой в виде симметричной приземной дипольной антенны W (электрический излучатель).4) with a terminal load in the form of a symmetrical surface dipole antenna W (electric emitter).

На фиг. 5 представлены расчетные значения коэффициентов усиления антенн типа VH 60/12 при выполнении оконечных нагрузок в виде: симметричной приземной антенны (рис. 3.), в виде резистивных элементов (рис. 1.), в виде двух противофазно включенных симметричных приземных антенн (рис. 4.)In FIG. Figure 5 shows the calculated values of the gain of antennas of type VH 60/12 when performing terminal loads in the form of: a symmetrical surface antenna (Fig. 3.), in the form of resistive elements (Fig. 1.), in the form of two antiphase symmetrical surface antennas (Fig. . four.)

На Фиг. 6 представлены сравнительные формы диаграмм направленности антенн с оконечными резистивными нагрузками (пунктирная линия) и с замещением их, приземными стелющимися антеннами (сплошная линия).In FIG. Figure 6 presents comparative forms of radiation patterns of antennas with terminal resistive loads (dashed line) and with their replacement by ground creeping antennas (solid line).

Электродинамический анализ энергетических характеристикElectrodynamic analysis of energy characteristics

низкорасположенных апериодических антенн, у которых в качестве оконечных нагрузок включены как резистивные нагрузки, так и приземные антенные элементы, был проведен в диапазоне частот от 1,5 до 10 МГц, поскольку снижение эффективности апериодической антенны с оконечными нагрузками в значительной степени наблюдается лишь в диапазоне низких частот.low aperiodic antennas, in which both resistive loads and surface antenna elements are included as terminal loads, was carried out in the frequency range from 1.5 to 10 MHz, since the decrease in the efficiency of an aperiodic antenna with terminal loads is largely observed only in the low frequencies.

Результаты электродинамического анализа антенны VH 60/12 (60 метров - длина излучателя, 12 метров - высота мачтового устройства) проводились со следующими вариантами исполнения оконечной нагрузки:The results of the electrodynamic analysis of the VH 60/12 antenna (60 meters - the length of the emitter, 12 meters - the height of the mast device) were carried out with the following versions of the final load:

а) оконечная нагрузка в виде резистивных элементов R, введенными между нижними концами излучателей антенны VH 60/12 и противовесами из восьми проводов, длиной по 10 метров, равномерно радиально размещенными на подстилающей поверхности.a) the end load in the form of resistive elements R, inserted between the lower ends of the radiators of the antenna VH 60/12 and balances of eight wires, a length of 10 meters, uniformly radially placed on the underlying surface.

б) оконечная нагрузка в виде несимметричных однопроводных приземных антенн W1 и W2 выполненных в виде архимедовой спирали с радиусом 10 метров (число витков - 4, шаг спирали - 2 метра), приземные антенны подключены одним концом излучающего провода к нижнему концу излучателя антенны VH 60/12, вторые концы свободны.b) the terminal load in the form of asymmetric single-wire surface antennas W1 and W2 made in the form of an Archimedean spiral with a radius of 10 meters (number of turns - 4, spiral pitch - 2 meters), surface antennas are connected at one end of the radiating wire to the lower end of the antenna emitter VH 60 / 12, the second ends are free.

в) оконечная нагрузка в виде симметричных приземных дипольных антенн. Длина плеча каждого из диполей 9 метров, ширина 14 метров. Совместно с устройством согласующим симметрирующим (УСС) симметричная приземная дипольная антенна образует комбинированный излучатель.c) terminal load in the form of symmetrical surface dipole antennas. The shoulder length of each of the dipoles is 9 meters and a width of 14 meters. Together with a matching balancing device (CSS), a symmetrical surface dipole antenna forms a combined emitter.

г) оконечная нагрузка в виде симметричной приземной дипольной антенны W. Каждое плечо антенны W выполнено в виде равнобедренного треугольника, вершина которого расположена на продольной оси антенны VH 60/12. Длина плеча каждого из диполей составляет 9 метров, ширина 14 метров.d) the end load in the form of a symmetrical surface dipole antenna W. Each arm of the antenna W is made in the form of an isosceles triangle, the apex of which is located on the longitudinal axis of the antenna VH 60/12. The shoulder length of each of the dipoles is 9 meters, a width of 14 meters.

Типы, конструкции и габаритные размеры приземных антенн были выбраны для обеспечения приближенного равенства их входных сопротивлений и волнового сопротивления излучателя антенны VH 60/12 (близкого к 450 Ом) в диапазоне от 1,5 до 10 МГц. Номинал резистивных оконечных нагрузок был выбран равным 450 Ом. Входное сопротивление несимметричной однопроводной приземной антенны близко к значению 400 Ом. Входное сопротивление каждого плеча электрического приземного диполя близко к 500 Ом, а для комбинированной приземной дипольной антенны составляет величину порядка 400 Ом.The types, designs, and overall dimensions of surface antennas were chosen to ensure approximate equality of their input impedances and wave impedance of the antenna emitter VH 60/12 (close to 450 Ohms) in the range from 1.5 to 10 MHz. The resistive termination rating was chosen to be 450 ohms. The input impedance of an unbalanced single-wire surface antenna is close to 400 Ohms. The input impedance of each arm of an electric surface dipole is close to 500 Ohms, and for a combined surface dipole antenna is about 400 Ohms.

На рис. 6-8 приведены расчетные диаграммы направленности (далее ДН) в угломестной плоскости в азимутальном направлении максимума главного лепестка ДН VH 60/12 с резистивными оконечными нагрузками и с их замещением приземной симметричной антенной. Ниже приведен анализ результатов моделирования.In fig. Figures 6-8 show the calculated radiation patterns (hereinafter referred to as the NL) in the elevation plane in the azimuthal direction of the maximum of the main lobe of the DN VH 60/12 with resistive terminal loads and with their substitution with a surface symmetrical antenna. The following is an analysis of the simulation results.

Выполнение согласующего элемента (являющегося вторичным антенным элементом, замещающим оконечную нагрузку и вторично излучающим ту долю мощности, которая поглощалась бы в оконечной нагрузке) в виде приземной антенны, не выступающей за общие габариты первичного излучателя, позволяет:The implementation of the matching element (which is the secondary antenna element replacing the final load and radiating the fraction of power that would be absorbed in the final load) in the form of a surface antenna, not protruding beyond the overall dimensions of the primary emitter, allows you to:

1. Повысить эффективность антенной системы (за счет вторичного излучения приземного антенного элемента) (см. фиг. 5);1. To increase the efficiency of the antenna system (due to the secondary radiation of the surface antenna element) (see Fig. 5);

2. Увеличить верхний предел подводимой мощности, который определен лишь напряжением пробоя изоляторов и толщиной (или количеством) токоведущих проводников (обеспечивающей должную токовую нагрузку) в антенной системе2. Increase the upper limit of the input power, which is determined only by the breakdown voltage of the insulators and the thickness (or number) of current-carrying conductors (providing the proper current load) in the antenna system

3. Скорректировать форму диаграммы направленности у протяженных апериодических антенн за счет излучения вторичного приземного антенного элемента. Например, обеспечить более эффективное излучение под высокими углами на низких частотах (где размер излучателя не превышает длины волны), что способствует более эффективному ионосферному распространению на коротких радиотрассах (см. фиг. 6).3. Correct the shape of the radiation pattern of extended aperiodic antennas due to the radiation of the secondary surface antenna element. For example, to provide more efficient radiation at high angles at low frequencies (where the size of the emitter does not exceed the wavelength), which contributes to more efficient ionospheric propagation on short radio paths (see Fig. 6).

Источники информацииInformation sources

1. Надененко С.И. «Антенны» - М.: Государственное издание литературы по вопросам связи и радио, 1959 г. - 554 с.1. Nadenenko S.I. "Antennas" - M .: State publication of the literature on communications and radio, 1959 - 554 p.

2. Патент №4511898, H01Q 11/06, опубликован 16.04.1985 г.2. Patent No. 4511898, H01Q 11/06, published April 16, 1985.

Claims

An aperiodic antenna comprising an emitter and a matching element, characterized in that the matching element is made in the form of a surface creeping antenna element.