RU169100U1 - Укороченный несимметричный вибратор - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к элементу радиосвязи - антенной технике и может быть использована в качестве элемента для создания фазированных антенных решеток коротковолнового (KB) и ультракоротковолнового (УКВ) диапазонов в условиях ограниченной поверхности их размещения, например, на судах и кораблях. Вибратор содержит высокочастотный генератор 4, соединенный через усилитель мощности 5 коаксиальной кабельной линией 6 с вертикальным несимметричным вибратором (1, 2 и 3), который установлен закрепленным на изоляторе 2 металлическим корпусом антенны 12 с корпусом судна. Излучающий элемент несимметричного вибратора состоит из двух составных частей, изолированных друг от друга, с суммарной общей длиной три метра=3, нижний излучающий элемент длиной=2,7 метра является проводящей (металлической) и цилиндрической формы, конструктивно внутри полой, в ее полости располагается система управления преобразования импедансов 15, позволяющая перестраивать входное индуктивное сопротивление антенны, иными словами удлинять или укорачивать длину антенны, настраивая антенну в резонанс с частотой генератора. Вход системы управления преобразования импедансов 15 соединен коаксиальным кабелем 6 через усилитель мощности 5 с выходом высокочастотного генератора 4. Технический результат заключается в обеспечении постоянного КПД во всем диапазоне рабочих частот. 2 з.п. ф-лы, 13 ил.

Description

Полезная модель относится к элементу радиосвязи - антенной технике и может быть использована в качестве элемента для создания фазированных антенных решеток коротковолнового (KB) и ультракоротковолнового (УКВ) диапазонов в условиях ограниченной поверхности их размещения, например, на судах и кораблях.

Известно, что несимметричный вибратор (или штырь) широко используется, исходя из его высоких массогабаритных характеристик и направленных свойств. Штырь занимает малую площадь при размещении, поэтому повсеместно используется на судах и кораблях, причем в значительном количестве на борту судов (несколько десятков).

На фиг. 1 представлен несимметричный вибратор или штырь, который имеет излучающий элемент - 1 длиной

, в виде проводящего прямолинейного проводника цилиндрической формы, генератора 3 и заземлителя - 2, при этом выход генератора ЭДС(~U_A) - 3 подключен одной клеммой к излучающему элементу 1, а другой клеммой - к заземлителю 2.

На фиг. 2 даны варианты использования несимметричного вибратора.

На фиг. 3 дана модель определения собственной емкости антенны.

На фиг. 4 дан график нормированной функции распределения потенциала по длине антенны.

На фиг. 5 дан несимметричный вибратор с вынесенной удлинительной катушкой, включенной в разрыв излучающего элемента антенны.

На фиг. 6 приведено распределение тока по длине излучающего элемента несимметричного вибратора.

На фиг. 7 приведен график разности интегральных функций тока.

На фиг. 8 приведены графики сопротивления излучения и сопротивления потерь в зависимости от точки подключения удлинительной катушки или индуктивного сопротивления.

На фиг. 9 приведены графики КПД антенны при различных значениях добротности индуктивного элемента, включенного в качестве удлинительной катушки в излучающий элемент несимметричного вибратора.

На фиг. 10 приведены графики выигрыша излучаемой мощности от координаты включения индуктивного элемента и добротности индуктивности.

На фиг. 11 приведена конструкция модели укороченного несимметричного вибратора, содержащая высокочастотный генератор 4, соединенный через усилитель мощности 5 коаксиальной кабельной линией 6 с вертикальным несимметричным вибратором (1, 2 и 3), который установлен закрепленным на изоляторе 2 металлическим корпусом антенны 12 с корпусом судна; излучающий элемент несимметричного вибратора состоит из двух составных частей, изолированных друг от друга, с суммарной общей длиной три метра

=3, нижний излучающий элемент длиной

=2,7 метра является проводящей (металлической) и цилиндрической формы, конструктивно внутри полой, в ее полости располагается система управления преобразования импедансов 15, позволяющая перестраивать входное индуктивное сопротивление антенны, иными словами удлинять или укорачивать длину антенны, настраивая антенну в резонанс с частотой генератора; вход системы управления преобразования импедансов 15 соединен коаксиальным кабелем 6 через усилитель мощности 5 с выходом высокочастотного генератора 4; толщина стенок цилиндра определяется районом плавания судна и принята равной d₁=3 сантиметра; верхний излучающий элемент несимметричного вибратора представляется проводящим цельнометаллическим стержнем длиной

=30 сантиметров и сечением d₂=3 сантиметра, закрепленным своим основанием через плоское высокоомное сопротивление R с верхней частью нижнего излучающего элемента несимметричного вибратора 1.

На фиг. 12 представлена система управления преобразования импедансов 15, содержит гиратор 11, преобразователь частота-напряжение 10 и преобразователь понижения частоты 9 с подключением системы 15 параллельно нагрузке 2 в несимметричный вибратор, состоящий из двух элементов 1 и 3 и питаемый высокочастотным генератором 4 через усилитель мощности 5 и коаксиальный кабель 6.

На фиг. 13 представлена модель гиратора, который содержит первый ОУ1 и второй ОУ2 операционные усилители; первый R1, второй R2, третий R3 и четвертый R4 резисторы, нагрузочную емкость С и варикап Вп.

На фиг. 1 приведена физическая модель несимметричного вибратора, расположенного вдоль оси X. При этом

длина излучающего элемента вибратора с диаметром сечения

. Длина излучающего элемента вибратора играет важную роль в излучающих качествах штыря. Резонансная частота ƒ₀ или частота настройки ƒ_нас=ƒ₀ антенны связана с резонансной длиной волны λ₀ и длиной излучающего элемента вибратора следующими соотношениями: 4⋅

=λ₀; ƒ₀=С/λ₀, где С - скорость света (3⋅10⁸, м/с). Режим работы с параметрами 4⋅

=λ₀; ƒ₀=С/λ₀ называется режимом собственной длины волны. Коэффициент перекрытия для штыря равен 1,2. Поэтому антенны несимметричного вибратора работают в узкой полосе частот.

Пример низкого КПД работы можно усмотреть для штыря с установкой заданной длины, для работы в режиме собственной длины или в диапазоне, близкому к данному режиму:

1. например, при длине излучающего элемента штыря

=4 метра в режиме собственной длины настраивается на частоту 1875 кГц (или 18,75 МГц) и работает в диапазоне частот от 17 до 24 МГц с КПД не хуже 0,2;

2. при длине излучающего элемента штыря

=5 метров в режиме собственной длины настраивается на частоту 15 МГц и работает в диапазоне частот от 13 до 17 МГц с КПД не хуже 0,2;

3. при длине излучающего элемента штыря

=7 метров в режиме собственной длины настраивается на частоту 10,71 МГц и работает в диапазоне частот от 9 до 12 МГц с КПД не хуже 0,2;

4. при длине излучающего элемента штыря

=8 метров в режиме собственной длины настраивается на частоту 9,375 МГц и работает в диапазоне частот от 7,5 до 10 МГц с КПД не хуже 0,2;

5. при длине излучающего элемента штыря

=10 метров в режиме собственной длины настраивается на частоту 7.5 МГц и работает в диапазоне частот от 5 до 8 МГц с КПД не хуже 0,2;

6. при длине излучающего элемента штыря

=25 метров в режиме собственной длины настраивается на частоту 3 МГц и работает в диапазоне частот от 3 до 5 МГц с КПД не хуже 0,2.

Таким образом, для работы в KB диапазоне (от 3 до 30 МГц) необходимо иметь не менее 7 штыревых антенн, которые обозначаются: так 4-метровый как Ш4 (штырь четырехметровый); 5-метровый - Ш5; 7-метровый - Ш7; 8-метровый - Ш8; 10-метровый - Ш10; 25-метровый - Ш25.

Однако такое количество штыревых антенн не целесообразно использовать из-за сложности их размещения, поэтому создают сложные конструкции штырей с целью расширения рабочего диапазона их использования.

На фиг. 2 приведены типовые варианты совершенствования конструкции антенн для расширения диапазонных свойств антенны. Системы связи, работающие в коротковолновом диапазоне радиочастотного спектра, повсеместно используют вертикальные несимметричные вибраторы (штыри) практически одинаковой конструкции. Их различие состоит только в том, что используют различное количество включенных сосредоточенно индуктивностей 3 (L_К), а также емкостных штырей на конце излучающего элемента антенны 4 и 5.

Вариант фиг. 2(a) представляет конструкцию штыря, работающего в узкой полосе частот, и содержит излучающий элемент 1 и заземлитель 2, к клеммам «а» и «б» антенны подключен генератор ~U_A. Для судов разработана такая антенна:

- судовая передающая антенна-штырь типа АС-8С, имеющая различные варианты исполнения в зависимости от их размещения и представленная в монографии «Судовые антенны» М.В. Вершкова и О.Б. Миротворского на стр. 271-272, - Л.: изд. «Судостроение», 1990;

- судовая передающая антенна под названием «Антенна - мачта», представляет собой изолированную от палубы мачту (как правило, с верхним питанием при заземленной мачте) высотой 25 метров, излучающий элемент - 1 и палуба судна - заземлитель - 2. Рабочий диапазон антенны от 1,5 МГц до 4,5 МГц. Антенна относится к аналогу «Антенна-мачта», патент №191651. СССР, МКИ H04d. «Антенна-мачта», патент №816355, СССР, МКИ H01Q 1/34. Недостатками антенны являются: очень малый коэффициент перекрытия диапазона рабочих частот и большие массогабаритные характеристики.

Вариант фиг. 2(б) представляет собой несимметричный вибратор с включенными в разрыв провода комплексными сопротивлениями Z(R+jωL_К). Длина излучающего элемента антенны

=10 метров, комплексное сопротивление включено на высоте примерно 7 метров. Рабочий диапазон антенны от 4 до 25 МГц. Устанавливается на всех судах под названием «Широкополосная передающая антенна - 11» - ШПА-11 с RL - включением (представлена в монографии «Судовые антенны» М.В. Вершкова и О.Б. Миротворского на стр. 139-141, - Л.: изд. «Судостроение», 1990). Недостатками антенны являются: неравномерность частотной характеристики входного сопротивления антенны и большие массогабаритные характеристики.

Вариант фиг. 2(с) представляет собой несимметричный вибратор, подобный варианту фиг. 2(б) но отличающийся тем, что имеется емкостная нагрузка 4 на конце излучающего элемента антенны. Емкостная нагрузка компенсирует в верхней части диапазона индуктивное сопротивление антенны, чем расширяет диапазонные свойства антенны в сравнении с вариантом фиг. 2(б). Таким образом, антенна работает в диапазоне от 4 до 30 МГц. Недостатками антенны являются: неравномерность частотной характеристики входного сопротивления антенны и большие массогабаритные характеристики.

Вариант фиг. 2(д) представляет собой несимметричный вибратор, подобный варианту фиг. 2(б), но отличается тем, что сделана попытка удлинить излучающий элемент антенны включением третьей индуктивности. Удлинение позволяет использовать частоты от 3 до 25 МГц. Однако дополнительная реактивность снижает величину тока и понижает эффективность антенны. Более трех совместно используемых индуктивностей в антеннах не используют. Недостатками антенны являются: повышенное сопротивление антенны, неравномерность частотной характеристики входного сопротивления антенны и большие массогабаритные характеристики.

Вариант фиг. 2(е) представляет собой несимметричный вибратор с включенными в разрыв излучающего элемента провода комплексными сопротивлениями Z(R+jωL_К). Длина излучающего элемента антенны

=10 метров, комплексное сопротивление включено на высоте примерно 7 метров. Рабочий диапазон антенны от 5 до 30 МГц. Устанавливается на всех судах под названием «Импедансная многовибраторная передающая антенна - 11-2» - ШПА-11-2 с RL-включением и четырех вибраторов (патент СССР №285837, МКИ H01q 9/18). Для устранения неравномерности частотной характеристики входного сопротивления установлены дополнительно четыре штыря 5, которые обеспечивают выравнивание ее частотной характеристики в рабочем диапазоне частот от 5 до 30 МГц. Описание представлено в монографии «Судовые антенны» М.В. Вершкова и О.Б. Миротворского на стр. 142-150 – Л.: изд. «Судостроение», 1990.

Общим параметром перечисленных антенн является коэффициент бегущей волны, который находится в пределах от 0,3 до 0,4, поэтому КПД антенн очень низкий и находится в пределах 0,4 до 0,2.

Системы связи, работающие в коротковолновом диапазоне радиочастотного спектра, повсеместно используют вертикальные несимметричные вибраторы практически одинаковой конструкции. Их различие состоит только в том, что используют различное количество включенных сосредоточенно индуктивностей L_К, а также емкостных штырей на конце антенны. При этом генератор электродвижущей силы ~U_A возбуждает ток в излучающем элементе антенны, где элементами для настройки на заданный диапазон частот могут являться сосредоточенно включенные индуктивность L_К и емкость С. Включение индуктивностей в качестве неоднородностей в электрическую схему вертикального несимметричного вибратора более трех не целесообразно. Обосновано это тем, что суммарная индуктивность увеличивает активное сопротивление провода и, как следствие, уменьшает величину тока в антенне.

На диапазонные свойства оказывает влияние конструкция противовеса (заземлителя). Это связано с тем, что сопротивление заземлителя

(противовеса) входит составной частью в сопротивление антенны: R_A=R_Σ+

+….

В то же время на основании выражения можно видеть, что увеличение добротности антенны снижает рабочий диапазон. Добротность зависит от волнового сопротивления W_A и активного сопротивления вибратора

: Q_A=W_A/R_A.

Таким образом, в разделе рассмотрены варианты типовых антенн и показаны особенности их конструктивных решений, позволяющих изменять диапазонные свойства. Эти примеры дают основание для дальнейшего изменения конструкции для совершенствования излучающих возможностей описанных антенн.

Целью разработки полезной модели является установление постоянства тока в излучающем элементе антенны независимо от рабочей частоты и уменьшение массогабаритных характеристик антенны (уменьшения веса и размеров антенны). Это возможно на основании использования укороченных несимметричных вибраторов.

Эффективность излучения коротких антенн.

Короткую антенну при определенных допусках можно рассматривать в качестве элементарного электрического излучателя. При этом мощность излучения для элементарного излучателя получается:

Р_∑=40π²I²

² _А/λ², но

где

. Е/Н=120π

Приравнивая выражения мощности излучения, можно получить:

На основании анализа выражений для магнитной Н и электрической Е составляющих следует, что:

- напряженность поля, создаваемая вибратором, зависит от объема поля, в котором оно сосредоточено

;

- значение векторных величин Е и Н уменьшается с увеличением длины волны при неизменности геометрических размеров излучателя:

- геометрические размеры антенны оказывают влияние на напряженность поля, поэтому, уменьшая размеры излучателя, для увеличения напряженности поля в объеме необходимо увеличение тока в антенне.

Последний пункт используется в основе разработки полезной модели укороченного несимметричного вибратора. Это значит, что при равных условиях, укорачивая антенну, необходимо увеличить ток в ней.

Поэтому в качестве прототипа использована модель варианта фиг. 2(б), которая представляет собой несимметричный вибратор с включенными в разрыв провода комплексными сопротивлениями Z(R+jωL_К). Длина излучающего элемента антенны

=10 метров, комплексное сопротивление включено на высоте примерно 7 метров. Рабочий диапазон антенны от 4 до 25 МГц. Устанавливается на всех судах под названием «Широкополосная передающая антенна - 11» - ШПА-11 с RL-включением (представлена в монографии «Судовые антенны» М.В. Вершкова и О.Б. Миротворского на стр. 139-141 – Л.: изд. «Судостроение», 1990). Недостатком антенны является: неравномерность частотной характеристики входного сопротивления антенны, низкий КПД антенны (только на резонансной частоте ƒ₀, т.е. когда 4⋅

=λ₀ и ƒ₀=С/λ₀, то КПД=0,4, а во всем остальном диапазоне меньше 0,4 и большие массогабаритные характеристики).

Целью разработки полезной модели является создание условий работы антенны с постоянным КПД во всем диапазоне рабочих частот, что достигается за счет исправления неравномерности частотной характеристики входного сопротивления во всем диапазоне рабочих частот включением управляемого преобразователя импедансов или создание условий, при которых входное сопротивление в диапазоне частот было бы близким сопротивлению антенны в режиме собственной длины волны или управление значением входного сопротивления антенны в пределах, требуемых для постоянства тока в ней на любой частоте рабочего диапазона; что позволяет уменьшить длину излучающего элемента и вес антенны; т.е. создание укороченного несимметричного вибратора с параметрами не хуже существующего прототипа, на основе контроля входного сопротивления антенны величиной, требуемой для постоянства тока в ней на любой частоте рабочего диапазона.

Поставленная цель достигается тем, что дополнительно введено разделение несимметричного вибратора (фиг. 11), состоящего из двух частей: нижнего излучающего элемента 1 длиной

и верхнего излучающего элемента 3 длиной

, общая длина излучающего элемента вибратора 3 метра

метра, верхний и нижние элементы несимметричного вибратора разделены на высоте 2,7 метра изолятором 2 длиной

, точки M-N определяют размер вертикального сечения изолятора, или изолирующего элемента несимметричного вибратора и являются изолятором между нижним элементом 1 и верхним элементом 3, соединенных через управляемый преобразователь импедансов 15; управляемый преобразователь импедансов 15 содержит гиратор 11, преобразователь понижения частоты 9, преобразователь частота-напряжение 10 (фиг. 12 и фиг. 13); в полости цилиндра 1 (фиг. 11), таким образом, располагается система управления преобразования импедансов, содержащая: гиратор 11, преобразователь понижения частоты 9 и частота-напряжение 10. Система управления позволяет на основе использования преобразователей понижения частоты 9 и частота-напряжение 10 выполнять перестройку гиратора 11, т.е. его непосредственно входного индуктивного сопротивления, включаемого параллельно изолятору 2, или входного сопротивления антенны до величины, требуемой для постоянства тока в ней на любой частоте рабочего диапазона.

Укороченные антенны по ряду причин имеют характеристики худшие по сравнению с антеннами, использующими режим собственной длины волны. Подробно причины ухудшения характеристик антенн при их электрической длине, значительно меньшей резонансной, описаны в ряде источников [1, 2, 3]. Однако не смотря на свои недостатки укороченные антенны получили широкое применение в силу того, что расположение полноразмерной антенны оказывается невозможным из-за недостатка рабочего пространства, неудовлетворительных массогабаритных характеристик или иных инженерных ограничений. Известно, что при длине несимметричного вибратора менее четверти длины волны (λ₀/4), где λ₀ - рабочая длина волны, входное сопротивление антенны приобретает очень малый емкостной характер [4, 5], поэтому для обеспечения хорошего согласования антенны с фидером применяют различные способы компенсации емкостного сопротивления или его увеличения при неизменности индуктивного сопротивления.

Далее рассмотрим способ изменения емкостного сопротивления включением удлиняющей катушки индуктивности в цепь несимметричного вибратора. Для подбора соответствующего номинала индуктивности удлиняющей катушки, прежде всего, необходимо определить статическую емкость и волновое сопротивление антенны [6].

Расчет емкости несимметричного вибратора выполним методом Хоу (Howe), дающим погрешность порядка 5%. Для этого представим несимметричный вибратор в виде цилиндрического проводника длиной

, заряженного до потенциала U. Емкость этого проводника С есть отношение его заряда Q к потенциалу U (1).

Потенциал в различных точках проводника имеет одинаковое значение, однако плотность заряда распределена неравномерно и возрастает по мере удаления от центра провода, особенно резко изменяясь на его концах. Тем не менее относительно небольшое изменение поверхностной плотности заряда на достаточно большой части проводника положено в основу метода Хоу, поэтому будем считать поверхностную плотность заряда неизменной во всех точках провода. Присвоив этому параметру произвольное значение, найдем потенциал, который будет иметь переменное значение по длине проводника, а для устранения возникшего несоответствия усредним найденное значение потенциала, и воспользовавшись формулой (1), найдем емкость антенны.

Для определения потенциала длинного круглого провода от собственного заряда воспользуемся формулой (2).

Для строгого решения задачи необходимо решить интегральное уравнение, в котором поверхностная плотность заряда q является функцией координаты z, a ϕ=const, R - расстояние от влияющей точки до рассматриваемой. В данном случае мы наоборот полагаем q=const и находим ϕ.

Возьмем произвольную точку 0 на оси провода (Фиг. 3), отстоящую от его левого конца на α

и от правого конца на (1-α)

. Тогда на элементе с бесконечно малой длиной dz на расстоянии z от начала координат возникнет элементарный потенциал dU, создаваемый зарядом этого элемента. Расстояние от начала координат до поверхности элемента определяется выражением (3):

где r - радиус провода. Заряд на элементе dz равен qdz (q - заряд на единицу длины), поэтому элементарный потенциал в нулевой точке вычисляется согласно (4):

Полный потенциал в точке 0 получим, проинтегрировав (4) по длине провода, т.е. от α

до (1-α)

:

Интегральную функцию (4) можно свести к логарифмической, как это показано в [5]:

Графически изменение потенциала U_α вдоль провода показано на фиг. 5, где функция U_α нормирована. Как видно из фиг. 4, потенциал меняется вдоль провода. Для получения среднего значения потенциала необходимо проинтегрировать функцию (5) по α, т.е. найти интеграл (6):

Учитывая, что полную длину провода охватим при α=1, окончательно получим:

Теперь, пользуясь выражением (1), найдем емкость провода:

Так, например, емкость трехметрового провода радиусом 8⋅10^-4 м составит 2,107⋅10^-11 Фарад, а его погонная емкость 7,023⋅10^-12 Фарад/метр соответственно.

Известная величина погонной емкости дает возможность рассчитать волновое сопротивление антенны ρ[6] по формуле (8):

где с - скорость света в вакууме, С_пог - погонная емкость провода.

Теперь согласно [6] имеем все входные данные для расчета индуктивности удлинительной катушки. На фиг. 5 показана схема для расчета удлиняющей катушки в несимметричном вибраторе. Резонансная величина индуктивности рассчитывается по формуле (9):

где m=ω/с=2π/λ - волновое число; ω=2πƒ - циклическая частота. Также можно найти распределение тока в проводе, согласно выражений (10):

где I_A - амплитуда тока на входе антенны, а I₁ и I₂ - токи в верхней и нижней частях несимметричного вибратора.

Распределение токов по вибратору графически показано на фиг. 6, где верхняя кривая отображает распределение тока при включении удлинительной катушки, а нижняя кривая - при ее отсутствии. Для примера функции распределения токов вычислены исходя из рабочей длины волны 30 м, длины вибратора 3 м, и точки включения удлинительной катушки 2,25 м от источника. В месте включения удлинительной катушки производная функция тока претерпевает разрыв, а сама функция имеет форму близкую к трапецеидальной. Как видно из сравнения распределения токов, наличие катушки индуктивности дает выигрыш в силе тока, протекающего по антенне, что позволяет увеличить коэффициент усиления антенны. Количественно данный эффект можно оценить, вычислив разность интегралов соответствующих функций тока по длине вибратора, что эквивалентно разности площадей под кривыми, отображающими распределение токов в антенне. Аналитически это описывается выражением (11):

Как видно из фиг. 7, разность интегральных функций тока (11) линейно возрастает при удалении катушки от источника. Поэтому больший эффект можно получить при установке катушки индуктивности ближе к краю вибратора, однако при этом в ней возрастает сопротивление потерь, поэтому имеет смысл выбора точки подключения катушки таким образом, чтобы сопротивление потерь было меньше сопротивления излучения.

Сопротивление излучения и сопротивление потерь можно найти из выражений (12) и (13) соответственно.

Формула (13) дает возможность оценить пути снижения сопротивления потерь. Во-первых, необходимо понижать волновое сопротивление, что достигается повышением емкости антенны за счет утолщения проволочных элементов, а именно выполнение их в виде толстых труб или набора проводов. Во-вторых, можно увеличивать добротность удлинительной катушки, но на практике значения добротности выше 500 получить весьма проблематично, поэтому предлагается в качестве индуктивного элемента использовать гиратор, подбором сопротивлений в цепи которого возможно достичь добротности в несколько тысяч единиц. На фиг. 8 видно, что при больших значениях добротности индуктивного элемента его можно расположить достаточно далеко от источника, тем самым получив значительный выигрыш в мощности излучения. Схема гиратора изображена на фиг. 13.

Для данной схемы гиратора справедливы соотношения (14) и (15):

Кроме положительного влияния на коэффициент усиления, включение дополнительного элемента вызывает снижение КПД антенны, которое также зависит от добротности удлиняющей индуктивности. Для расчета КПД необходимо вычислить отношение сопротивления излучения к полному сопротивлению антенны, т.е. провести расчеты по формуле (16):

Графически КПД антенны при различных значениях Q_L представлены на фиг. 9.

Оценить выигрыш в излучаемой мощности можно, воспользовавшись простым выражением (17):

где I₁, I₂ - интегральные функции токов в плече вибратора (без включения индуктивности и с включенной индуктивностью соответственно), R₁, R₂ - полные активные сопротивления антенн.

Как видно из графиков на фиг. 10, выигрыш мощности при низкой добротности индуктивного элемента отрицателен для любой координаты точки включения в плечо вибратора, то есть имеем потери мощности, так как рост сопротивления потерь опережает рост сопротивления излучения. Повышая добротность, получаем возможность расположить индуктивный элемент все дальше от источника, тем самым увеличивая выигрыш излучаемой мощности.

Приравняв производную функции (17) по координате к нулю, можно найти точку расположения индуктивного элемента, дающую максимальный выигрыш в излучаемой мощности, такой точкой для несимметричного вибратора является точка на высоте 2,7 метра для трехметрового вибратора.

Таким образом, рассмотренный вариант исполнения укороченной антенны с системой управления преобразователем импедансов 15 (фиг. 11 и фиг. 12) дает возможность повысить мощность излучения, как показывают расчеты, при высокой добротности индуктивного элемента, включенного в цепь тока антенны, при этом потери достаточны минимальны. Индуктивное сопротивление, перестраевоемое по частоте, можно создать на основе использования управляемого гиратора или системы управления преобразователем импедансов 15. Следовательно, можно заменить 10-метровый несимметричный вибратор трехметровым несимметричным вибратором поддержанием заданных параметров тока, как это доказано выполненными выше исследованиями.

На фиг. 13 реализован принцип управляемого устройства в виде преобразователя импедансов (гиратор) 11, который обеспечивает режим собственной длины волны для несимметричного вибратора путем изменения индуктивного сопротивления в зависимости от частоты работы антенны. Преобразователь импедансов (гератор) 11 представлен на фиг. 13, содержит первый ОУ1 и второй ОУ 2 операционные усилители, резисторы: первый R1, второй R2, третий R3 и четвертый R4, нагрузочную емкость С и варикап Вп; при этом управляемый вход преобразователя импедансов (гиратор) 11 соединен с положительным входом второго операционного усилителя ОУ2 через варикап Вп, отрицательный вход второго операционного усилителя ОУ2 параллельно соединен с отрицательным входом первого операционного усилителя ОУ1 и через третий резистор R3 с земляным проводом, а через четвертый резистор R4 отрицательный вход второго операционного усилителя ОУ2 соединен с выходом первого операционного усилителя ОУ1; первый выход преобразователя импедансов (гиратора) 11 соединен с положительным входом ОУ1; выход первого операционного усилителя ОУ1 соединен через второй резистор R2 параллельно с положительным входом второго операционного усилителя ОУ2, с нагрузочной емкостью С и с выходом варикапа Вп; второй выход преобразователя импедансов (гиратора) 11 соединен параллельно с отрицательным входом первого операционного усилителя ОУ1; положительный вход первого операционного усилителя ОУ1 соединен с через первый резистор R1 параллельно с нагрузочной емкостью С и с выходом второго операционного усилителя ОУ2.

Принцип работы преобразователя импеданса (гиратора) представлен в литературе авторов У. Титце, К. Шенк «Полупроводниковая схемотехника» - М.: изд. Мир, 1983 г., раздел 12.6, стр. 180-183.

Преобразователь импедансов (гиратор) 11 (фиг. 13) позволяет преобразовать реактивное сопротивление нагрузочной емкости С в индуктивное сопротивление на симметричном выходе 1-2 преобразователя импедансов (гиратора) 11, причем это сопротивление зависит от величины напряжения, подаваемого через вход преобразователя 11 (фиг. 13), через варикап Вп на положительный вход второго операционного усилителя ОУ2. Нагрузочная емкость С действием изменяющегося емкостного сопротивления варикапа Вп при изменении на нем приложенного напряжения изменяет величину нагрузочной емкости на входе ОУ2. И, следовательно, меняется величина индуктивного сопротивления на выходах один-два 1-2 преобразователя импедансов 11. Таким образом, осуществляется регулировка индуктивного сопротивления преобразователя импедансов (гиратора) 11 (фиг. 13). При этом положительный вход первого операционного усилителя соединен параллельно с первым выходом, а через первый резистор с выходом второго операционного усилителя и через нагрузочную емкость с положительным входом второго операционного усилителя; положительный вход второго операционного усилителя соединен параллельно через второй резистор с выходом первого операционного усилителя, а через варикап с входом гиратора; выход первого операционного усилителя соединен через четвертый резистор с отрицательным входом первого операционного усилителя; отрицательный вход первого операционного усилителя соединен параллельно со вторым выходом гиратора, также с отрицательным входом второго операционного усилителя, а через третий резистор с земляным проводом.

Преобразователь реактивного сопротивления или гиратор позволяет преобразовать емкость нагрузочную С (фиг. 13) в индуктивность на выходе один-два 1-2 гиратора, обеспечив перестройку входного индуктивного сопротивления антенны, иными словами, удлинять или укорачивать длину антенны, настраивая антенну в резонанс с частотой генератора. Создать такую индуктивность достаточно сложно, так как будет иметь большой вес и очень значительные габариты элементов индуктивности L и емкости С. Расчет необходимой индуктивности L₀ параллельного колебательного контура для приема диапазона рабочих частот радиоприема электромагнитных полей проводится в соответствии с формулой

, зная емкость С у гиратора (фиг. 13) можно определить индуктивность, исходя из параметров гиратора

L₀=(R1⋅R2⋅R4⋅C)/R3, где L₀ - в Гн, R - в Омах, С - в наноФарадах.

Параллельно емкости С включен варикап Вп, который позволяет изменять нагрузочную емкость в зависимости от подаваемого напряжения на варикап в пределах до 300 пФ, при необходимости увеличения емкости следует включать блок варикапов вместо одного. Работа варикапа представлена на стр. 24, раздел 3.3, в литературе авторов У. Титце, К. Шенк «Полупроводниковая схемотехника» - М.: изд. Мир, 1983 г. Принцип управления изменением индуктивного сопротивления на выходе гиратора показан в журнале «Радио» №11, за 1996 г., автором Петин Г.П. «Применение гиратора в резонансных усилителях и генераторах». Управление гиратором представлено на фиг. 12 и осуществляется напряжением частоты генератора U_A (передающего устройства 1), возбуждающего антенну. Напряжение генератора поступает на вход преобразователя понижения частоты 9 (фиг. 12). Понижение частоты необходимо для устойчивой работы преобразователей реактивного сопротивления, их работа критична к разности фаз операционных усилителей ОУ1 и ОУ2 (фиг. 13). Понижение частоты не сказывается на их работу, так как после преобразователя понижения частоты 9 установлен преобразователь частота-напряжение 10.

Конструкция и принцип работы укороченного несимметричного вибратора.

Несимметричный вибратор (фиг. 11) состоит из двух частей: нижнего излучающего элемента 1 длиной

и верхнего излучающего элемента 3 длиной

, имеет общую длину двух излучающих элементов вибратора

метра, общая длина излучающих элементов несимметричного вибратора разделена на высоте 2,7 метра изолятором 2 длиной

, точки разделения излучающих элементов 1 и 3 несимметричного вибратора изолятором 2 соединены через систему управления преобразования импедансов 15; система управления преобразования импедансов 15 содержит гиратор 11, преобразователь понижения частоты 9, преобразователь частота-напряжение 10 (фиг. 12 и фиг. 13).

На фиг. 11 представлена модель конструкции укороченного несимметричного вибратора для использования на судах. Генератор высокочастотного напряжения 4 обеспечивает заданный режим работы усилителя мощности 5. Усилитель мощности и генератор расположены внутри корпуса судна 14. Антенна, несимметричный вибратор, соединена с выходом усилителя мощности 5 коаксиальным кабелем 6 через кабельный канал в корпусе судна 14. Несимметричный вибратор располагается на изоляторе 7, размещенном в корпусе антенны 12. Корпус антенны 12 закреплен болтовым соединением 13 с корпусом судна 14. Коаксиальный кабель 6 центральной жилой соединен параллельно из точки «а» с основанием нижнего излучающего элемента несимметричного вибратора 1 в точках К-К и с входом преобразователя понижения частоты 9. Экранная оболочка коаксиального кабеля 6 соединена с корпусом судна 14. Выход преобразователя понижения частоты 9 соединен с гиратором 11 через преобразователь частота-напряжение 10. Первый выход гиратора 11 соединен в точке N с основанием верхнего излучающего элемента 3 несимметричного вибратора на высоте 2,7 метра относительно нижнего излучающего элемента, а второй выход гиратора 11 соединен в точке М в верхней части нижнего излучающего элемента несимметричного вибратора 1.

Напряжение заданной частоты ƒ₁ высокочастотного генератора 4 поступает на вход усилителя мощности 5, последний обеспечивает требуемое усиление для поддержания необходимой мощности на входе несимметричного вибратора, состоящего из двух проводящих частей: нижнего излучающего элемента 1 и верхнего излучающего элемента 3, и изоляции 2 между ними. В действительности несимметричный вибратор состоит из трех частей: нижнего излучающего элемента 1 длиной 2,7 метра, выполнен в виде металлического цилиндра, внутри которого располагается система управления преобразования импедансов 15, которая содержит: гиратор 11, преобразователь частота-напряжение 10 и преобразователь понижения частоты 9; средней части антенны несимметричного вибратора - изолятора 2 и верхнего излучающего элемента несимметричного вибратора 3 в виде цельнометаллического стержня длиной 30 см. С выхода усилителя мощности 5 напряжение частотой ƒ₁ поступает по коаксиальному кабелю 6, подключенному центральной жилой через точку «а» к основанию несимметричного вибратора к точкам К-К, в его нижней части нижнего излучающего элемента цилиндрической формы. Параллельно центральная жила коаксиального кабеля точкой «а» соединена с входом преобразователя понижения частоты 9. Приложенное напряжение к цилиндрическому основанию нижнего излучающего элемента 1 антенны приводит к появлению тока в цилиндрической части антенны. Одновременно приложенное напряжение частотой ƒ₁ через систему управления преобразования импедансов 15 (фиг. 12) обеспечивает соединение точек М и N через индуктивное сопротивление, необходимое для обеспечения режима собственной длинны антенны (Ранее было указано, что режим работы с параметрами 4⋅

=λ₀; ƒ₀=С/λ₀ называется режимом собственной длины волны антенны). Режим работы обеспечивает заданное условие для частоты генератора 4 - ƒ₁. Учитывая, что гиратор 11 обеспечивает подключение к точкам М и N, заданную величину индуктивного сопротивления без потерь, образованный колебательный контур антенной и выходом гиратора имеет высокую добротность и, следовательно, антенна имеет значительные токи, чем достигается высокий КПД. При перестройке генератора 4 на частоту ƒ₂, не равную ƒ₁, происходит изменение индуктивного сопротивления между точками М и N за счет работы системы управления преобразования импедансов 15.

Совокупность существенных признаков заявляемого устройства обеспечит достижение поставленной цели. Авторам не известны технические решения из области радиосвязи, антенной техники, содержащие признаки, эквивалентные отличительным признакам заявляемого устройства. Авторам неизвестны технические решения из других областей техники, обладающие свойствами заявляемого технического решения. Таким образом, заявляемое техническое решение, по мнению авторов, обладает критерием существенных признаков.

Список литературы

1. Гончаренко И.В. Антенны KB и УКВ. Часть II. Основы и практика. - М.: ИП РадиоСофт, 2005. - 288 с.

2. Schelkunoff S.A., Friis Н.Т. Antennas - New York: John Wiley & Sons, Inc., 1952. 603 c.

3. Balanis C.A. Modern antenna handbook, New York: John Wiley & Sons, Inc., 2008 1680 c.

4. Айзенберг Г.З. Коротковолновые антенны. - M.: Связьиздат, 1962. - 562 с.

5. Пистолькорс А.А. Антенны. - М.: Связьиздат, 1947. - 479 с.

6. Муравьев Ю.К. Справочник по расчету проволочных антенн. – Л.: ВАС, 1978. 392 с.

Claims (4)

1. Укороченный несимметричный вибратор, содержащий высокочастотный генератор, соединенный через усилитель мощности коаксиальной кабельной линией с вертикальным излучающим элементом несимметричного вибратора, который установлен на изоляторе закрепленным металлическим корпусом антенны с корпусом судна (3 зап), отличающийся тем, что дополнительно введены несимметричный вибратор, состоящий из двух составных частей, нижнего излучающего элемента и верхнего излучающего элемента, изолированных друг от друга, с суммарной общей длиной три метра l=3, нижний излучающий элемент длиной l1=2,7 метра является проводящей и цилиндрической формы, конструктивно внутри полой, в полости цилиндра располагается система управления преобразования импедансов, содержащая гиратор и преобразователи понижения частоты и частота-напряжение и позволяющая на основе использования преобразователей понижения частоты генератора и частота-напряжение выполнять перестройку гиратора, его непосредственно индуктивного сопротивления. включенного во входное сопротивление антенны, причем изменять значение сопротивления до величины, требуемой для поддержания постоянства тока в антенне на любой частоте рабочего диапазона и, как следствие, постоянства ее КПД, на основе удлинения или укорочения длины антенны, настраивая антенну в резонанс с частотой генератора; верхний излучающий элемент несимметричного вибратора представляется цельнометаллическим стержнем длиной l3=0,3 метра, закрепленным своим основанием через плоское высокоомное сопротивление R на верхней части нижнего излучающего элемента несимметричного вибратора; при этом генератор высокочастотных колебаний соединен через усилитель мощности с помощью центральной жилы коаксиальной кабельной линии к основанию нижнего излучающего элемента, цилиндрической части вертикального несимметричного вибратора к его точкам К-К, а параллельно к входу системы управления преобразования импедансов; первый выход системы управления преобразования импедансов соединен непосредственно в точке N с основанием верхнего излучающего элемента несимметричного вибратора, а второй выход системы управления преобразования импедансов соединен в точке М с верхней частью нижнего излучающего элемента цилиндрической формы вертикального несимметричного вибратора.

2. Укороченный несимметричный вибратор по п. 1, отличающийся тем, что система управления преобразования импедансов содержит гиратор, преобразователь частота-напряжение и преобразователь понижения частоты, при этом вход системы управления преобразования импедансов соединен с входом преобразователя понижения частоты, а выход преобразователя понижения частоты через преобразователь частота-

напряжение соединен с входом гиратора, первый выход гиратора соединен с первым выходом системы управления преобразования импедансов, а второй выход гиратора соединен со вторым выходом системы управления преобразования импедансов.

3. Укороченный несимметричный вибратор по п. 2, отличающийся тем, что гиратор содержит первый и второй операционные усилители; первый, второй, третий и четвертый резисторы, нагрузочную емкость и варикап, при этом положительный вход первого операционного усилителя соединен параллельно с первым выходом гиратора, а через первый резистор с выходом второго операционного усилителя и через нагрузочную емкость с положительным входом второго операционного усилителя; положительный вход второго операционного усилителя соединен параллельно через второй резистор с выходом первого операционного усилителя, а через варикап с входом гиратора; выход первого операционного усилителя соединен через четвертый резистор с отрицательным входом первого операционного усилителя; отрицательный вход первого операционного усилителя соединен параллельно со вторым выходом гиратора, также с отрицательным входом второго операционного усилителя, а через третий резистор с земляным проводом.

Images