RU2574172C1 - Cylindrical slit antenna - Google Patents

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: cylindrical slit antenna comprises a conducting cylindrical housing with a longitudinal slit with the first and second edges and a feeder, and additionally includes the first conducting yoke, the second conducting yoke and a matching cable section. The first yoke is arranged to form a galvanic contact on the first edge of the slit; the second yoke is arranged to form a galvanic contact on the second edge of the slit the feeder on the surface of the cylinder is laid along a straight line which is diametrically opposite to the longitudinal axis of the slit, with bending in the vicinity of the feed point of the slit, passes through the first yoke to form an external conductor of the feeder of the galvanic contact with the first yoke; the matching cable section passes through the second yoke; the centre conductor of the feeder is galvanically connected to the centre conductor of the matching cable section.

EFFECT: wider operating frequency range of the cylindrical slit antenna, providing the antenna with devices for matching with a feeder, which are not critical to dimensions when tuning the antenna to the operating resonance frequency.

2 cl, 6 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам, а именно к антеннам ультракоротких радиоволн и антеннам сверхвысоких частот для излучения волн горизонтальной поляризации с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости.The invention relates to antenna-feeder devices, namely to antennas of ultrashort radio waves and microwave antennas for emitting waves of horizontal polarization with a circular radiation pattern in the horizontal plane.

Уровень техникиState of the art

Щелевая антенна была впервые предложена в 1938 Аланом Блюмлейном (Alan D. Blumlein) с целью применения в телевизионном вещании в диапазоне ультракоротких волн с горизонтальной поляризацией и круговой диаграммой направленности (ДН) в горизонтальной плоскости [Британский патент №515684. HF electrical conductors. Alan Blumlein, опубл. 1938. US patent №2,238,770 High frequency electrical conductor or radiator]. Антенна представляет собой трубу с продольной щелью. Простота конструкции, отсутствие выступающей части над поверхностью, в которой прорезана щель, привлекли к ней внимание специалистов, проектирующих радиосистемы для подводных лодок. Щелевые антенны не нарушают аэродинамику объектов, на которых они установлены, что определило их широкое применение на самолетах, ракетах и других подвижных объектах. Такие антенны со щелями, прорезанными в стенках волноводов прямоугольного, круглого или иной формы поперечного сечения, широко используются в качестве бортовых и наземных антенн радиолокационных и радионавигационных систем.A slot antenna was first proposed in 1938 by Alan D. Blumlein for use in television broadcasting in the range of ultrashort waves with horizontal polarization and a circular radiation pattern (ND) in the horizontal plane [British patent No. 515684. HF electrical conductors. Alan Blumlein, publ. 1938. US patent No. 2,238,770 High frequency electrical conductor or radiator]. The antenna is a pipe with a longitudinal slit. The simplicity of the design, the absence of a protruding part above the surface in which the slot is cut, attracted the attention of specialists designing radio systems for submarines. Slot antennas do not violate the aerodynamics of the objects on which they are installed, which determined their widespread use on airplanes, rockets and other mobile objects. Such antennas with slots cut in the walls of waveguides of rectangular, round or other cross-sectional shape are widely used as airborne and ground-based antennas for radar and radio navigation systems.

Итак, известна первая щелевая цилиндрическая антенна A.D. Blumlein для излучения горизонтально поляризованных волн высоких частот, содержащая проводящий цилиндр с продольной щелью, устройства для возбуждения щели на одном конце цилиндра и короткозамыкатель на другом конце цилиндра, устройство для регулировки ширины щели. Проводящий цилиндр имеет длину, равную половине длины волны в свободном пространстве.So, the first slotted cylindrical antenna A.D. Blumlein for emitting horizontally polarized high-frequency waves, containing a conductive cylinder with a longitudinal slit, devices for exciting the slit at one end of the cylinder and a short circuit at the other end of the cylinder, a device for adjusting the width of the slit. The conductive cylinder has a length equal to half the wavelength in free space.

Недостатками известной первой щелевой антенны является то, что:The disadvantages of the known first slotted antenna is that:

- в антенне нет устройств для настройки антенны на резонансную частоту,- there are no devices in the antenna for tuning the antenna to a resonant frequency,

- антенна имеет длину, равную половине длины волны в свободном пространстве, что затрудняет получение приемлемых характеристик антенны в отношении направленных свойств и согласования антенны с фидером.- the antenna has a length equal to half the wavelength in free space, which makes it difficult to obtain acceptable antenna characteristics with respect to directional properties and matching the antenna with the feeder.

Известна вторая щелевая цилиндрическая антенна для излучения горизонтально поляризованных волн высоких частот [US patent 2625654, A. Alford], содержащая проводящий цилиндр с продольной щелью, фидер, короткозамыкатель на одном конце щели и устройства для возбуждения антенны на другом конце щели, названный цилиндр имеет диаметр размером между 0,151 и 0,121, где 1 - длина волны в свободном пространстве на рабочей частоте. Названный цилиндр имеет длину близкую к девяти десятым четверти длины стоячей волны, установившейся вдоль щелевой линии на цилиндре (при этом длина волны в щелевой линии на цилиндре в несколько раз превышает длину волны в свободном пространстве).A second cylindrical slot antenna is known for emitting horizontally polarized high-frequency waves [US patent 2625654, A. Alford], comprising a conductive cylinder with a longitudinal slot, a feeder, a short circuit at one end of the slot and a device for exciting the antenna at the other end of the slot, said cylinder has a diameter between 0.151 and 0.121, where 1 is the wavelength in free space at the operating frequency. The named cylinder has a length close to nine tenths of the length of the standing wave established along the slotted line on the cylinder (the wavelength in the slotted line on the cylinder is several times the wavelength in free space).

Антенна при вертикальной ориентации цилиндра имеет практически круговую диаграмму направленности с горизонтальной поляризацией поля излучения, имеет высокий коэффициент направленного действия (КНД). Антенна компактна, удобна для установки на крышах высоких зданий, ее плавные контуры поверхности препятствуют скоплению мокрого снега и образованию льда. Антенна благодаря круговой цилиндрической форме имеет сравнительно малую ветровую нагрузку.The antenna with a vertical orientation of the cylinder has an almost circular radiation pattern with horizontal polarization of the radiation field, has a high coefficient of directional action (KND). The antenna is compact, convenient for installation on the roofs of tall buildings, its smooth surface contours prevent the accumulation of wet snow and ice formation. Due to its circular cylindrical shape, the antenna has a relatively small wind load.

Известная вторая антенна устраняет недостатки первой известной антенны, обусловленные ее размером в половину длины волны в свободном пространстве. Всенаправленная щелевая антенна Андрея Альфорда, созданная в 1946 году и установленная на небоскребе Крайслер в Нью Йорке, использовалась для первых трансляций цветного телевидения [A. Alford, Long Slot Antennas. Proc. of the National Electronics Conference, Chicago, IL October 3-5, 1946].The known second antenna eliminates the disadvantages of the first known antenna due to its size at half the wavelength in free space. The Andrei Alford omnidirectional slot antenna, created in 1946 and installed on the Chrysler skyscraper in New York, was used for the first broadcasts of color television [A. Alford, Long Slot Antennas. Proc. of the National Electronics Conference, Chicago, IL October 3-5, 1946].

Однако известная вторая щелевая цилиндрическая антенна имеет следующие недостатки:However, the known second slotted cylindrical antenna has the following disadvantages:

антенна имеет большой в длинах волн в свободном пространстве продольный размер, что затрудняет использовать ее в качестве излучающего элемента антенной решетки, формирующей диаграмму направленности специального вида в плоскости вектора Н;the antenna has a large longitudinal dimension in wavelengths in free space, which makes it difficult to use it as a radiating element of the antenna array, forming a radiation pattern of a special kind in the plane of the vector H;

антенна не имеет устройств для ее согласования с фидером.the antenna has no devices for matching it with the feeder.

Известна третья щелевая цилиндрическая антенна для излучения горизонтально поляризованных волн высоких частот [Kraus J.D. Antennas - 1988, TATA McGRAW-HILL Edition, New Delhi, pp. 642-644], содержащая проводящий цилиндр с продольной щелью, короткозамкнутой с обоих концов цилиндра, возбуждаемой коаксиальным кабелем, внешний проводник которого гальванически соединен с первой кромкой щели, а центральный проводник гальванически соединен со второй кромкой щели.Known third slotted cylindrical antenna for emitting horizontally polarized high-frequency waves [Kraus J.D. Antennas - 1988, TATA McGRAW-HILL Edition, New Delhi, pp. 642-644], comprising a conductive cylinder with a longitudinal slit short-circuited at both ends of the cylinder excited by a coaxial cable, the outer conductor of which is galvanically connected to the first edge of the slit, and the central conductor is galvanically connected to the second edge of the slit.

Рекомендуемые размеры антенны: диаметр цилиндра равен 0,125λ, длина щели 0,75λ, ширина щели 0,02λ.Recommended antenna dimensions: cylinder diameter is 0.125λ, slot length 0.75λ, slot width 0.02λ.

Известная третья щелевая цилиндрическая антенна имеет недостатки:Known third slotted cylindrical antenna has the disadvantages of:

- вследствие несимметричного возбуждения антенны возбуждается волна, распространяющаяся в линии, образованной внешним проводником коаксиального кабеля и цилиндром, в результате наблюдается заметное излучение кабеля (антенный эффект фидера), ее характеристики существенным образом зависят от внешних эксплуатационных факторов;- due to the asymmetric excitation of the antenna, a wave is propagated in the line formed by the external conductor of the coaxial cable and the cylinder, as a result, noticeable radiation of the cable is observed (antenna effect of the feeder), its characteristics substantially depend on external operational factors;

- нет устройств для согласования антенны с фидером (для настройки антенны в резонанс на рабочей частоте),- there are no devices for matching the antenna with the feeder (for tuning the antenna into resonance at the operating frequency),

Известная третья щелевая цилиндрическая антенна имеет узкий диапазон рабочих частот, не превышающий 1% на уровне КСВ в линии питания.The well-known third slotted cylindrical antenna has a narrow range of operating frequencies, not exceeding 1% at the level of SWR in the power line.

Третья известная щелевая цилиндрическая антенна, питаемая коаксиальным кабелем, является по совокупности существенных признаков наиболее близкой к настоящему изобретению. Эта антенна выделена авторами в качестве прототипа.The third known slotted cylindrical antenna, fed by a coaxial cable, is the set of essential features closest to the present invention. This antenna is highlighted by the authors as a prototype.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Технической задачей настоящего изобретения является расширение рабочего диапазона частот щелевой цилиндрической антенны, обеспечение антенны устройствами согласования с фидером, некритичными к размерам при настройке антенны на рабочую (резонансную) частоту.An object of the present invention is to expand the operating frequency range of a slotted cylindrical antenna, to provide the antenna with matching devices with a feeder that are non-critical to size when tuning the antenna to the operating (resonant) frequency.

Поставленная задача достигается тем, что щелевая цилиндрическая антенна, содержащая проводящий цилиндрический корпус (далее корпус) с продольной щелью с первой и второй кромками и фидер, дополнительно содержит первый проводящий хомут, второй проводящий хомут (далее по тексту первый хомут, второй хомут) и согласующий отрезок кабеля, при этом первый хомут расположен с образованием гальванического контакта на первой кромке щели, второй хомут расположен с образованием гальванического контакта на второй кромке щели, фидер на поверхности цилиндра проложен вдоль прямой линии, диаметрально противоположной продольной оси щели, с загибом в окрестности точки возбуждения щели, проложен через первый хомут с образованием внешним проводником фидера гальванического контакта с первым хомутом, согласующий отрезок кабеля проложен через второй хомут, центральный проводник фидера гальванически соединен с центральным проводником согласующего отрезка кабеля.The problem is achieved in that a slotted cylindrical antenna containing a conductive cylindrical body (hereinafter referred to as the body) with a longitudinal slot with first and second edges and a feeder further comprises a first conductive clamp, a second conductive clamp (hereinafter, the first clamp, the second clamp) and matching a piece of cable, while the first clamp is located with the formation of galvanic contact on the first edge of the slot, the second clamp is located with the formation of galvanic contact on the second edge of the slot, the feeder on the surface of the cylinder Indra is laid along a straight line diametrically opposite the longitudinal axis of the slit, with a bend in the vicinity of the point of excitation of the slit, laid through the first clamp with the formation of an external conductor of the feeder galvanic contact with the first clamp, the matching piece of cable laid through the second clamp, the central conductor of the feeder is galvanically connected to the central conductor matching cable length.

Введение в состав антенны первого проводящего хомута, второго проводящего хомута и согласующего отрезка кабеля, их взаимное расположение и соединение в антенне как указано выше решает следующие задачи:The introduction of the first conductive clamp, the second conductive clamp and the matching cable length into the antenna, their relative position and connection in the antenna as described above solves the following problems:

- создать антенну, обеспечивающую за счет симметричной системы питания симметричную диаграмму направленности в плоскости вектора Н, без раздвоения диаграммы и без отклонения максимума диаграммы направленности от плоскости, перпендикулярной к оси цилиндра;- create an antenna, which, due to the symmetric power system, provides a symmetrical radiation pattern in the plane of the vector H, without bifurcating the diagram and without deviating the maximum of the radiation pattern from a plane perpendicular to the axis of the cylinder;

- создать антенну, обеспечивающую круговую диаграмму направленности в плоскости вектора Ε за счет того, что диаметр цилиндра много меньше длины волны;- create an antenna that provides a circular radiation pattern in the plane of the vector Ε due to the fact that the cylinder diameter is much less than the wavelength;

- создать антенну, обеспечивающую устойчивые характеристики излучения при использовании как узких щелей с невысоким волновым сопротивлением, так и широких щелей с высоким волновым сопротивлением;- create an antenna that provides stable radiation characteristics when using both narrow slots with a low wave impedance and wide slots with a high wave impedance;

- создать антенну, обеспечивающую компенсацию реактивной составляющей входного импеданса антенны в широком диапазоне частот;- create an antenna that provides compensation for the reactive component of the input impedance of the antenna in a wide frequency range;

- создать антенну, сопротивление излучения которой в широком диапазоне частот изменяется в небольших пределах;- create an antenna whose radiation resistance in a wide range of frequencies varies within small limits;

- создать антенну, обеспечивающую низкий КСВ в линии питания за счет согласования входного импеданса антенны с волновым сопротивлением фидера в широкой полосе частот;- create an antenna that provides low SWR in the power line by matching the input impedance of the antenna with the impedance of the feeder in a wide frequency band;

- снизить уровень мощности, возвращающийся к передатчику при работе антенны на передачу, за счет согласования антенны с фидером;- reduce the power level that returns to the transmitter when the antenna is transmitting, by matching the antenna with the feeder;

- снизить уровень искажений спектра передаваемого (принимаемого) антенной сигнала за счет равномерной амплитудно-фазовой характеристики антенны в диапазоне частот;- reduce the level of distortion of the spectrum of the transmitted (received) antenna signal due to the uniform amplitude-phase characteristic of the antenna in the frequency range;

- повысить устойчивость антенны к высокочастотному пробою за счет снижения напряженности поля в соединителе радиочастотном вследствие снижения КСВ в линии питания при работе антенны в режиме передачи;- to increase the resistance of the antenna to high-frequency breakdown by reducing the field strength in the RF connector due to the reduction of the SWR in the power line when the antenna is in transmission mode;

- обеспечить антенну устройством согласования за счет изменения реактивного сопротивления устройства согласования и тем самым расширить полосу рабочих частот антенны;- provide the antenna with a matching device by changing the reactance of the matching device and thereby expand the antenna operating frequency band;

- обеспечить простой метод настройки антенны по согласованию с фидером в диапазоне частот;- provide a simple method of tuning the antenna in agreement with the feeder in the frequency range;

- обеспечить максимальную передачу мощности за счет согласования с волновым сопротивлением фидера;- ensure maximum power transfer due to coordination with the wave impedance of the feeder;

- повысить потенциально возможный уровень мощности в выбранном заранее фидере за счет снижения КСВ в нем;- increase the potential level of power in the feeder selected in advance by reducing the SWR in it;

- минимизировать потери в фидере и в результате снизить нагрев фидера при передаче по нему мощности;- minimize losses in the feeder and as a result reduce the heating of the feeder when transmitting power over it;

- минимизировать излучение (прием) электромагнитных волн фидером (внешней стороной внешнего проводника коаксиального кабеля);- minimize the emission (reception) of electromagnetic waves by the feeder (the outer side of the external conductor of the coaxial cable);

- создать щелевую антенну, которая могла бы использоваться как самостоятельная антенна, а также как элемент антенной решетки;- create a slot antenna, which could be used as a separate antenna, as well as as an element of the antenna array;

- создать антенну, удобную для ее монтажа на трубе или поясе решетчатой башни.- create an antenna convenient for its installation on a pipe or belt of a trellised tower.

Антенна компактна, при вертикальной ориентации цилиндра излучает горизонтально поляризованные волны. Может служить в качестве излучающего элемента антенной решетки. Антенная решетка щелевых излучателей может быть установлена как непосредственно на земной поверхности, так и на крышах высоких зданий. Плавные контуры поверхности антенны препятствуют скоплению на ней мокрого снега и образованию льда. Антенна благодаря круговой цилиндрической форме имеет сравнительно малую ветровую нагрузку.The antenna is compact, with a vertical orientation of the cylinder emits horizontally polarized waves. It can serve as a radiating element of the antenna array. The antenna array of slot emitters can be installed both directly on the earth's surface and on the roofs of tall buildings. Smooth contours of the antenna surface prevent the accumulation of wet snow on it and the formation of ice. Due to its circular cylindrical shape, the antenna has a relatively small wind load.

Включением в состав антенны обтекателя решена задача защиты щелевой цилиндрической антенны в соответствии с данным изобретением от воздействия внешних эксплуатационных факторов.By incorporating a fairing antenna, the problem of protecting a slotted cylindrical antenna in accordance with this invention against external operating factors has been solved.

Решение перечисленных выше задач свидетельствует о том, что создана новая щелевая цилиндрическая антенна, обеспечивающая рабочие характеристики в широком диапазоне частот.The solution to the above problems indicates that a new slotted cylindrical antenna has been created that provides performance in a wide frequency range.

Решение первой из указанных задач получено в результате того, что предложенная щелевая цилиндрическая антенна возбуждается симметрично относительно середины щели.The solution to the first of these problems was obtained as a result of the fact that the proposed slotted cylindrical antenna is excited symmetrically with respect to the middle of the slit.

Диапазон рабочих частот предложенной антенны со стороны более коротких волн ограничен изменением формы диаграммы направленности (ДН). Используют щели такой длины, при которой ДН имеет только один максимум, ориентированный перпендикулярно оси антенны. Уменьшение длины волны при неизменных размерах щели может привести к появлению двух максимумов, отклоненных от оси антенны.The range of operating frequencies of the proposed antenna from the side of shorter waves is limited by a change in the shape of the radiation pattern. Use slots of such a length that the beam has only one maximum, oriented perpendicular to the axis of the antenna. A decrease in the wavelength with constant gap sizes can lead to the appearance of two maxima deflected from the axis of the antenna.

Увеличение длины волны ограничивается уменьшением коэффициента направленного действия (КНД). Оно оказывается значительным, если диаметр цилиндра меньше 0,12 длины волны в свободном пространстве.The increase in wavelength is limited by a decrease in the coefficient of directional action (KND). It turns out to be significant if the cylinder diameter is less than 0.12 wavelengths in free space.

Предложенная антенна может быть настроена в указанном диапазоне частот.The proposed antenna can be tuned in the specified frequency range.

Решение задачи создания круговой диаграммы направленности в плоскости вектора Ε получено за счет того, что диаметр цилиндра много меньше длины волны в свободном пространстве.The solution to the problem of creating a circular radiation pattern in the plane of the vector Ε was obtained due to the fact that the cylinder diameter is much less than the wavelength in free space.

Решение третьей задачи, а именно обеспечение широкой полосы рабочих частот как с узкими, так и широкими щелями, получено в результате компенсации реактивной составляющей входного импеданса антенны.The solution to the third problem, namely, providing a wide band of operating frequencies with both narrow and wide slots, was obtained by compensating the reactive component of the antenna input impedance.

Решение задачи обеспечения простого метода компенсации реактивной составляющей входного импеданса антенны в диапазоне частот достигается использованием для компенсации двух последовательно включенных конденсаторов.The solution to the problem of providing a simple method of compensating the reactive component of the input impedance of the antenna in the frequency range is achieved by using two capacitors in series to compensate.

Решение задачи: минимизировать излучение (прием) электромагнитных волн фидером - получено за счет рационального размещения фидера на поверхности цилиндра, введения в состав антенны первого проводящего хомута, обеспечением гальванического контакта внешнего проводника с первым хомутом по всей его окружности на выходе из хомута.The solution to the problem: to minimize the emission (reception) of electromagnetic waves by the feeder - was obtained by rationally placing the feeder on the surface of the cylinder, introducing the first conductive clamp into the antenna, providing galvanic contact of the external conductor with the first clamp around its entire circumference at the outlet of the clamp.

Решение этих и других задач поясняется далее текстом и фигурами.The solution to these and other problems is explained below with text and figures.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг. 1а) представлена щелевая цилиндрическая антенна 1 в соответствии с настоящим изобретением. На фиг. 1б) показан вид спереди щелевой цилиндрической антенны, на фиг. 1в) показан вид сверху щелевой цилиндрической антенны. На фиг. 1б) и фиг. 1в) введены обозначения:In FIG. 1a) shows a slotted cylindrical antenna 1 in accordance with the present invention. In FIG. 1b) shows a front view of the slotted cylindrical antenna, in FIG. 1c) shows a top view of a slotted cylindrical antenna. In FIG. 1b) and FIG. 1c) the notation is introduced:

1 - щелевая цилиндрическая антенна,1 - slotted cylindrical antenna,

2 - цилиндрический корпус,2 - cylindrical body,

3 - щель,3 - gap

4 - первая кромка щели,4 - the first edge of the slit,

5 - вторая кромка щели,5 - the second edge of the slit,

6 - фидер,6 - feeder

7 - первый хомут,7 - the first clamp,

8 - второй хомут,8 - the second clamp,

9 - согласующий цилиндр,9 - matching cylinder,

10 - согласующий отрезок кабеля,10 - matching cable length,

11 - изгиб фидера (на повороте от вертикального участка к горизонтальному участку, расположенному в окрестности точки возбуждения щели),11 - bending of the feeder (at a turn from a vertical section to a horizontal section located in the vicinity of the slot excitation point),

А - область возбуждения щели.A is the area of excitation of the gap.

На фиг. 2а) показана область А возбуждения щели. На фиг. 2б) показано соединение внешнего проводника фидера с первым хомутом и первой кромкой щели, устройство согласования входного импеданса антенны и его соединение со второй кромкой щели. На фиг. 2в) показано в разрезе соединение внешнего проводника фидера со вторым хомутом и второй кромкой щели, согласующий цилиндр и согласующий отрезок кабеля. На фиг. 2б) и фиг. 2в) дополнительно введены следующие обозначения:In FIG. 2a) shows a gap excitation region A. In FIG. 2b) shows the connection of the external conductor of the feeder with the first clamp and the first edge of the slit, a device for matching the input impedance of the antenna and its connection with the second edge of the slit. In FIG. 2c) shows in section a connection of the external conductor of the feeder with the second clamp and the second edge of the slit, matching cylinder and matching piece of cable. In FIG. 2b) and FIG. 2c) the following notation is additionally introduced:

12 - центральный проводник согласующего отрезка кабеля,12 - the Central conductor matching the length of the cable,

13 - центральный проводник фидера,13 - the Central conductor of the feeder,

14 - внешний проводник фидера.14 - external conductor of the feeder.

На фиг. 3 приведена эквивалентная схема антенны; на фиг. 3 введены новые обозначения:In FIG. 3 shows the equivalent circuit of the antenna; in FIG. 3 introduced new notation:

15 - емкость конденсатора, образованного внутренней поверхностью согласующего цилиндра 9 и внешней поверхностью внешнего проводника согласующего отрезка кабеля 10,15 - the capacitance of the capacitor formed by the inner surface of the matching cylinder 9 and the outer surface of the outer conductor of the matching piece of cable 10,

16 - емкость конденсатора, образованного внутренней поверхностью внешнего проводника и центральным проводником согласующего отрезка кабеля 10,16 - the capacitance of the capacitor formed by the inner surface of the outer conductor and the Central conductor matching section of cable 10,

17 - индуктивность, обусловленная протеканием токов по внутренней и внешней поверхностям трубы от первой кромки ко второй кромке щели (при отсутствии конденсаторов 15 и 16),17 - inductance due to the flow of currents on the inner and outer surfaces of the pipe from the first edge to the second edge of the gap (in the absence of capacitors 15 and 16),

18 - реальная часть входного сопротивления антенны (до подключения конденсаторов 15 и 16),18 - the real part of the input resistance of the antenna (before connecting the capacitors 15 and 16),

19 - условная клемма, соответствующая точке гальванического контакта внешнего проводника фидера через первый проводящий хомут с кромкой 4,19 is a conditional terminal corresponding to the galvanic contact point of the external conductor of the feeder through the first conductive clamp with edge 4,

20 - условная клемма, соответствующая точке на входе центрального проводника согласующего отрезка кабеля,20 - conditional terminal corresponding to a point at the input of the Central conductor matching cable length,

21 - точка гальванического контакта согласующего цилиндра через проводящий хомут 2 с кромкой 5 щели 3.21 is the point of galvanic contact of the matching cylinder through the conductive clamp 2 with the edge 5 of the gap 3.

На фиг. 4 приведены экспериментальные зависимости реальной и мнимой частей входного сопротивления и КСВ от частоты первого и второго образцов щелевой цилиндрической антенны; на фиг. 4 введены обозначения:In FIG. Figure 4 shows the experimental dependences of the real and imaginary parts of the input resistance and SWR on the frequency of the first and second samples of a slotted cylindrical antenna; in FIG. 4 designations introduced:

221 - зависимость от частоты реальной части входного сопротивления первого образца с согласующим отрезком кабеля длиной 10,5 мм,221 - the frequency dependence of the real part of the input resistance of the first sample with a matching cable length of 10.5 mm,

222 - зависимость от частоты мнимой части входного сопротивления первого образца с согласующим отрезком кабеля длиной 10,5 мм,222 - dependence on the frequency of the imaginary part of the input resistance of the first sample with a matching cable length of 10.5 mm,

223 - зависимость от частоты КСВ антенны первого образца с согласующим отрезком кабеля длиной 10,5 мм,223 - dependence on the frequency of the SWR antenna of the first sample with a matching cable length of 10.5 mm,

231 - зависимость от частоты реальной части входного сопротивления второго образца с согласующим цилиндром длиной 11,5 мм и согласующим отрезком кабеля длиной 20,5 мм,231 - dependence on the frequency of the real part of the input resistance of the second sample with a matching cylinder with a length of 11.5 mm and a matching piece of cable with a length of 20.5 mm,

232 - зависимость от частоты мнимой части входного сопротивления второго образца с согласующим цилиндром длиной 11,5 мм и согласующим отрезком кабеля длиной 20,5 мм,232 - dependence on the frequency of the imaginary part of the input resistance of the second sample with a matching cylinder with a length of 11.5 mm and a matching piece of cable with a length of 20.5 mm,

233 - зависимость от частоты КСВ антенны второго образца второго образца с согласующим цилиндром длиной 11,5 мм и согласующим отрезком кабеля длиной 20,5 мм,233 - dependence on the frequency of the SWR antenna of the second sample of the second sample with a matching cylinder with a length of 11.5 mm and a matching piece of cable with a length of 20.5 mm,

241 - зависимость от частоты реальной части входного сопротивления второго образца с согласующим цилиндром длиной 7 мм и согласующим отрезком кабеля длиной 24 мм,241 - the dependence on the frequency of the real part of the input resistance of the second sample with matching cylinder 7 mm long and matching cable length 24 mm

242 - зависимость от частоты мнимой части входного сопротивления второго образца с согласующим цилиндром длиной 7 мм и согласующим отрезком кабеля длиной 24 мм,242 - the dependence on the frequency of the imaginary part of the input resistance of the second sample with matching cylinder 7 mm long and matching cable length 24 mm

243 - зависимость от частоты КСВ антенны второго образца с согласующим цилиндром длиной 7 мм и согласующим отрезком кабеля длиной 24 мм,243 - dependence on the frequency of the SWR antenna of the second sample with matching cylinder 7 mm long and matching cable length 24 mm

251 - зависимость от частоты реальной части входного сопротивления второго образца с согласующим цилиндром длиной 5 мм и согласующим отрезком кабеля длиной 30 мм,251 - dependence on the frequency of the real part of the input resistance of the second sample with a matching cylinder with a length of 5 mm and a matching piece of cable with a length of 30 mm,

252 - зависимость от частоты мнимой части входного сопротивления второго образца с согласующим цилиндром длиной 5 мм и согласующим отрезком кабеля длиной 30 мм,252 - dependence on the frequency of the imaginary part of the input resistance of the second sample with matching cylinder 5 mm long and matching cable length 30 mm,

253 - зависимость от частоты КСВ антенны второго образца с согласующим цилиндром длиной 5 мм и согласующим отрезком кабеля длиной 30 мм,253 - dependence on the frequency of the SWR antenna of the second sample with a matching cylinder with a length of 5 mm and a matching cable length of 30 mm,

На фиг. 5 приведены примеры распределения напряженности электрического поля вдоль линии передачи 26, представляющей собой продольную щель на цилиндре, и вдоль двухпроводной линии, использованной для возбуждения упомянутой линии передачи: а) частота генератора меньше критической частоты основной волны щелевой линии на круговом цилиндре, б) частота генератора примерно равна критической частоте основной волны щелевой линии на круговом цилиндре, в) частота генератора больше критической частоты основной волны щелевой линии на круговом цилиндре.In FIG. Figure 5 shows examples of the distribution of electric field strength along the transmission line 26, which is a longitudinal slit on the cylinder, and along the two-wire line used to excite the mentioned transmission line: a) the frequency of the generator is less than the critical frequency of the main wave of the slit line on the circular cylinder, b) the frequency of the generator approximately equal to the critical frequency of the main wave of the slit line on the circular cylinder, c) the frequency of the generator is greater than the critical frequency of the main wave of the slit line on the circular cylinder.

На фиг. 5 введены обозначения:In FIG. 5 introduced notation:

27 - сосредоточенный источник напряжения,27 is a concentrated voltage source,

28 - двухпроводная линия передачи,28 - two-wire transmission line,

29 - векторы напряженности электрического поля.29 - vectors of electric field strength.

На фиг. 6 представлена силовыми линиями структура электрического поля в некоторый момент времени во внутренней и внешней областях щелевой цилиндрической антенны в сечении, перпендикулярном оси антенны. На фиг. 6 введены обозначения: 30 - силовые линии электрического поля.In FIG. Figure 6 shows the structure of the electric field at some point in time in the internal and external regions of the slotted cylindrical antenna in cross sections perpendicular to the axis of the antenna by force lines. In FIG. 6 designation introduced: 30 - field lines of the electric field.

На фиг. 7 приведен пример применения щелевой цилиндрической антенны по настоящему изобретению в качестве элемента антенной решетки.In FIG. 7 shows an example of the use of the slotted cylindrical antenna of the present invention as an element of the antenna array.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Обратимся к фиг. 1б, на которой представлена щелевая антенна 1 в соответствии с настоящим изобретением. Антенна выполнена в виде цилиндрического корпуса 2 с щелью 3 с первой кромкой 4 и второй кромкой 5, фидера 6, первого проводящего хомута 7, второго проводящего хомута 8, согласующего цилиндра 9, согласующего отрезка кабеля 10 и элементов крепежа.Turning to FIG. 1b, which shows the slot antenna 1 in accordance with the present invention. The antenna is made in the form of a cylindrical body 2 with a slot 3 with a first edge 4 and a second edge 5, a feeder 6, a first conductive clamp 7, a second conductive clamp 8, a matching cylinder 9, a matching piece of cable 10 and fasteners.

Цилиндрический корпус 2 выполнен из проводящего материала, такого как, например, латунь, алюминиевый сплав, сталь или иной металл, или металлический сплав с хорошей проводимостью. Цилиндрический корпус с 2 в поперечном сечении имеет вид окружности. Корпус в поперечном сечении может иметь вид квадрата, прямоугольника, эллипса или иной кривой фасонного профиля.The cylindrical body 2 is made of a conductive material, such as, for example, brass, aluminum alloy, steel or another metal, or a metal alloy with good conductivity. The cylindrical body with 2 in cross section has the form of a circle. The body in cross section may take the form of a square, rectangle, ellipse or other curve shaped profile.

Щель 3 выполнена в цилиндрическом корпусе 2 на всю глубину стенки корпуса фрезерованием, лазерной резкой или иной механической операцией с образованием первой кромки 4 и второй кромки 5, параллельных продольной оси цилиндрического корпуса.The slot 3 is made in a cylindrical body 2 to the entire depth of the wall of the body by milling, laser cutting or other mechanical operation with the formation of the first edge 4 and the second edge 5 parallel to the longitudinal axis of the cylindrical body.

В качестве фидера 6 может быть использован серийный коаксиальный кабель. Согласующий цилиндр 9 для определенности показан в виде отрезка кругового цилиндра.As feeder 6, a serial coaxial cable can be used. Matching cylinder 9 is shown for definiteness in the form of a segment of a circular cylinder.

Согласующий отрезок кабеля 10 для определенности показан в виде короткого отрезка коаксиальной линии. Согласующий отрезок кабеля 10 частично расположен внутри согласующего цилиндра 9, частично вне 9.The matching length of cable 10 is shown for definiteness in the form of a short length of coaxial line. The matching piece of cable 10 is partially located inside the matching cylinder 9, partially outside 9.

Согласующий цилиндр 9, хомуты 7 и 8 выполнены из хорошо проводящего материала, например из латуни или алюминиевого сплава. Для обеспечения пайки покрыты, например, олово-висмутовым сплавом.The matching cylinder 9, the clamps 7 and 8 are made of a well-conductive material, such as brass or aluminum alloy. To ensure soldering, for example, coated with tin-bismuth alloy.

Конец согласующего отрезка кабеля 10, противолежащий щели, разомкнут и ни с чем не соединен. Центральный проводник 11 согласующего отрезка кабеля 10 выходит из согласующего цилиндра 9 и простирается до середины щели 3.The end of the matching segment of the cable 10, the opposite slots, is open and is not connected to anything. The Central conductor 11 of the matching length of cable 10 exits the matching cylinder 9 and extends to the middle of the slit 3.

Указанные выше устройства и детали взаимно расположены относительно друг друга и соединены между собой следующим образом.The above devices and parts are mutually arranged relative to each other and interconnected as follows.

Первый хомут 7 закреплен с образованием гальванического контакта на первой кромке 4 щели, второй хомут 8 закреплен с образованием гальванического контакта на второй кромке 5 щели, фидер 6 на поверхности цилиндра 2 закреплен вдоль прямой линии, диаметрально противоположной продольной оси щели, с изгибом 13 в окрестности точки возбуждения щели, далее проложен через первый хомут 7 с образованием внешним проводником 14 фидера гальванического контакта с первым хомутом 7, согласующий отрезок кабеля 10 проложен внутри согласующего цилиндра, который охвачен вторым хомутом, центральный проводник 12 фидера гальванически соединен с центральным проводником 11 согласующего отрезка кабеля.The first clamp 7 is fixed with the formation of galvanic contact on the first edge 4 of the slot, the second clamp 8 is fixed with the formation of galvanic contact on the second edge of the 5 slot, the feeder 6 on the surface of the cylinder 2 is fixed along a straight line diametrically opposite the longitudinal axis of the slot, with a bend 13 in the vicinity the point of excitation of the slot, then laid through the first clamp 7 with the formation of an external conductor 14 of the feeder galvanic contact with the first clamp 7, the matching piece of cable 10 is laid inside the matching cylinder, which hvachen second yoke, the center conductor 12 of the feeder is galvanically connected to the center conductor 11 of the cable terminating section.

Второй конец фидера 6 установлен в соединитель радиочастотный. При этом в качестве согласующего отрезка кабеля 10 используют либо отрезок стандартного коаксиального кабеля, либо отрезок специальной линии передачи, состоящей из внешнего проводника в виде трубки, центрального проводника в виде стержня или трубки и расположенного между ними полого диэлектрического цилиндра.The second end of the feeder 6 is installed in the radio frequency connector. At the same time, as a matching piece of cable 10, either a piece of a standard coaxial cable or a piece of a special transmission line consisting of an external conductor in the form of a tube, a central conductor in the form of a rod or tube and a hollow dielectric cylinder located between them is used.

Для крепления фидера 6 к цилиндрическому корпусу 2 могут быть использованы стандартизованные хомуты, винты и гайки.For fastening the feeder 6 to the cylindrical body 2, standardized clamps, screws and nuts can be used.

Принцип работы антенныThe principle of operation of the antenna

Антенна работает следующим образом. Электромагнитные колебания в антенне возбуждаются в результате приложения разности потенциалов в двух точках 19 и 20, противолежащих друг другу на первой 4 и второй 5 кромках щели 3. Для эффективного возбуждения антенны диаметр трубы 2 должен быть выбран таким, чтобы частота генератора была бы выше критической частоты основной волны H₀₀ щелевой линии на цилиндрическом волноводе [Alexander I. Nosich, Alexander Ye. Svezhentsev Principal and Higher Order Modes of Microstrip and Slot Lines on a Cylindrical Substrate. //Electromagnetics. Volume 13, Issue 1, 1993, pages 85-94]. С целью иллюстрации этого положения были рассмотрены (пользуясь строгим решением краевой задачи электродинамики) на модельной задаче три ситуации, представленные на фиг. 5.The antenna works as follows. Electromagnetic vibrations in the antenna are excited as a result of applying a potential difference at two points 19 and 20, opposite each other on the first 4 and second 5 edges of the slot 3. For effective excitation of the antenna, the diameter of the pipe 2 must be chosen so that the frequency of the generator is higher than the critical frequency main wave H _{00 of the} slit line on a cylindrical waveguide [Alexander I. Nosich, Alexander Ye. Svezhentsev Principal and Higher Order Modes of Microstrip and Slot Lines on a Cylindrical Substrate. // Electromagnetics. Volume 13, Issue 1, 1993, pages 85-94]. In order to illustrate this situation, we considered (using a rigorous solution of the boundary-value problem of electrodynamics) three situations presented in FIG. 5.

На фиг. 5 изображена щелевая линия на круглом волноводе, последовательно соединенная с двухпроводной линией, к концу которой подключен генератор напряжения. На фиг. 5 приведены примеры распределения напряженности электрического поля вдоль линии передачи для следующих случаев: а) частота генератора меньше критической частоты основной волны щелевой линии на круговом цилиндре, б) частота генератора примерно равна критической частоте основной волны щелевой линии на круговом цилиндре, в) частота генератора больше критической частоты основной волны щелевой линии на круговом цилиндре. На фиг. 5 напряженность электрического поля пропорциональна длине вектора. Как видно из фиг. 5, в случае а) электромагнитная волна отражается практически от входа в линию передачи. Волна проникает в щелевую линию на пренебрежимо малую в длинах воли глубину. В случае б) в щелевой цилиндрической линии передачи устанавливается экспоненциально убывающее распределение поле. В случае в) в щелевой цилиндрической линии передачи устанавливается стоячая волна. При этом длина стоячей волны в щелевой линии передачи больше, чем длина стоячей волны в двухпроводной линии передачи.In FIG. 5 shows a slit line on a circular waveguide connected in series with a two-wire line to the end of which a voltage generator is connected. In FIG. Figure 5 shows examples of the distribution of electric field strength along the transmission line for the following cases: a) the frequency of the generator is less than the critical frequency of the main wave of the slotted line on the circular cylinder, b) the frequency of the generator is approximately equal to the critical frequency of the main wave of the slotted line on the circular cylinder, c) the frequency of the generator is greater critical frequency of the main wave of the slit line on a circular cylinder. In FIG. 5, the electric field is proportional to the length of the vector. As can be seen from FIG. 5, in case a) an electromagnetic wave is reflected practically from the entrance to the transmission line. The wave penetrates the slot line to a depth that is negligible in the length of the will. In case b), an exponentially decreasing field distribution is established in the slotted cylindrical transmission line. In case c) a standing wave is established in a slotted cylindrical transmission line. In this case, the standing wavelength in the slotted transmission line is greater than the standing wavelength in the two-wire transmission line.

Предпочтительно выбирать диаметр трубы равным 0,14 длины волны в свободном пространстве. Длину щели целесообразно выбрать близкой к половине длины волны основной волны H₀₀ щелевой линии на цилиндрическом волноводеIt is preferable to choose a pipe diameter equal to 0.14 wavelength in free space. It is advisable to choose the length of the slit close to half the wavelength of the main wave H _{00 of the} slot line on the cylindrical waveguide

Ширина щели 3 не превышает одной тридцатой длины волны. Поэтому неравномерностью в распределении тока на центральном проводнике кабеля в пределах щели 3 можно практически пренебречь. Следовательно, несимметричный коаксиальный кабель введен в область возбуждения антенны таким образом, что он не нарушает ни физической, ни электрической симметрии антенны. Токи смещения, возникающие между внешним проводником фидера 6 и корпусом 2 на участке от изгиба фидера до щели, малы вследствие того, что внешний проводник фидера 6 и корпус 2 имеют гальванический контакт между собой через посредство первого проводящего хомута 7. Гальванический контакт внешнего проводника фидера 6 и корпуса 2 обуславливает равенство напряженности электрического поля нулю в месте их соединения. На участке фидера, расположенном вдоль прямой, диаметрально противоположной оси щели, токи смещения между внешним проводником фидера 6 и корпусом 2 не возбуждаются, поскольку на этом участке пути потенциал равен нулю. Следовательно, потенциально возможным излучением щели, образуемой между внешним проводником фидера 6 и корпусом 2, можно пренебречь. Таким образом, исключается антенный эффект фидера и связанные с ним непредсказуемые искажения диаграммы направленности антенны, изменения входного импеданса антенны, излучение кроссполяризованного поля. Пользуясь строгим решением уравнений Максвелла при заданных идеальных граничных условиях, были вычислены временным методом силовые линии электрического поля в разные моменты времени в течение одного периода колебаний напряжения генератора. Силовые линии в некоторый момент времени показаны на фиг. 6. Для удобства обозначения элементов антенны числами выбран момент времени, когда напряженность электрического поля в непосредственной окрестности щели мала, поэтому силовые линии в этой окрестности на фиг.6 отсутствуют. Вдали от щели наблюдаются уже сформировавшиеся вихри поля, представленные силовыми линиями, не опирающимися на заряды на стенках цилиндра. В промежуточной зоне силовые линии берут начало на нижней половине цилиндра на представленном чертеже и заканчивают свой путь на верхней части цилиндра. В точке, противолежащей точке центра щели, силовая линия не берет и не заканчивает свой путь, поскольку потенциал в этой точке равен нулю. Эта точка является граничной точкой между нижней и верхней половинками цилиндра. По указанному выше правилу здесь должна была бы брать начало и завершать свой путь силовая линия. Однако это оказывается невозможным, т.к. векторы напряженности электрического поля, касательные к нижней и верхней части силовой линии, в этой точке противоположны друг другу и, следовательно, гасят друг друга. По этой причине окрестность линии, противолежащей оси щели, оказывается удобной для прокладки вдоль нее фидера с целью минимизации антенного эффекта фидера.The width of the slit 3 does not exceed one thirtieth wavelength. Therefore, the unevenness in the distribution of current on the Central conductor of the cable within the gap 3 can be practically neglected. Therefore, an unbalanced coaxial cable is inserted into the antenna excitation region in such a way that it does not violate the physical or electrical symmetry of the antenna. The bias currents arising between the outer conductor of the feeder 6 and the housing 2 in the area from the bend of the feeder to the slit are small due to the fact that the outer conductor of the feeder 6 and the housing 2 have galvanic contact with each other through the first conductive clamp 7. Galvanic contact of the outer conductor of the feeder 6 and the housing 2 determines the equality of the electric field to zero at their junction. In a feeder section located along a straight, diametrically opposite axis of the slot, bias currents between the external conductor of the feeder 6 and the housing 2 are not excited, since the potential is zero in this section of the path. Therefore, the potential radiation of the gap formed between the external conductor of the feeder 6 and the housing 2 can be neglected. Thus, the antenna effect of the feeder and the unpredictable distortions of the antenna radiation pattern, changes in the antenna input impedance, and cross-polarized field radiation are eliminated. Using a rigorous solution of Maxwell's equations under given ideal boundary conditions, the electric field lines were calculated using the time method at different instants of time during one period of oscillation of the generator voltage. The lines of force at some point in time are shown in FIG. 6. For the convenience of designating antenna elements by numbers, a time moment is chosen when the electric field strength in the immediate vicinity of the gap is small; therefore, the lines of force in this vicinity are not shown in FIG. 6. Far from the gap, field vortices are already formed, represented by lines of force that do not rely on charges on the walls of the cylinder. In the intermediate zone, the lines of force originate on the lower half of the cylinder in the drawing and end their path on the top of the cylinder. At the point opposite the point of the center of the gap, the line of force does not take and does not end its path, since the potential at this point is zero. This point is the boundary point between the lower and upper halves of the cylinder. According to the above rule, the line of force should begin here and complete its path. However, this is not possible because the vectors of the electric field, tangent to the lower and upper part of the line of force, at this point are opposite to each other and, therefore, cancel each other. For this reason, the vicinity of the line opposite the axis of the slit is convenient for laying a feeder along it in order to minimize the antenna effect of the feeder.

Указанная выше конструкция антенны обеспечивает удобную регулировку согласования антенны с фидером. Рассмотрим это подробнее, обратившись к эквивалентной схеме антенны на фиг. 3. На фиг. 3 числом 15 обозначен первый конденсатор с емкостью С₁, образованный внутренней поверхностью согласующего цилиндра 9 и внешней поверхностью внешнего проводника согласующего отрезка кабеля 10. При этом роль диэлектрика выполняет оболочка кабеля. Числом 16 обозначен второй конденсатор с емкостью С₂, образованный внутренней поверхностью внешнего проводника и поверхностью центрального проводника согласующего отрезка кабеля 10. Числом 17 обозначена индуктивность L, обусловленная протеканием токов по внутренней и внешней поверхностям трубы от первой кромки 4 ко второй кромке 5 щели. Числом 18 обозначено сопротивление R, обусловленное потерями антенны на излучение. Клемма 19 соответствует точке гальванического контакта внешнего проводника фидера через посредство первого проводящего хомута с кромкой 4. Клемма 20 соответствует точке на входе центрального проводника согласующего отрезка кабеля. Числом 21 обозначена точка гальванического контакта согласующего цилиндра через посредство проводящего хомута 8 с краем 5 щели 3.The aforementioned antenna design provides convenient adjustment of the antenna matching with the feeder. Let us consider this in more detail by referring to the equivalent antenna circuit of FIG. 3. In FIG. 3, the number 15 denotes the first capacitor with a capacitance C ₁ formed by the inner surface of the matching cylinder 9 and the outer surface of the outer conductor of the matching piece of cable 10. In this case, the cable sheath plays the role of the dielectric. The number 16 indicates the second capacitor with a capacity of C ₂ formed by the inner surface of the outer conductor and the surface of the central conductor of the matching cable segment 10. Number 17 denotes the inductance L due to the flow of currents along the inner and outer surfaces of the pipe from the first edge 4 to the second edge 5 of the slot. The number 18 denotes the resistance R, due to the loss of the antenna to radiation. Terminal 19 corresponds to the point of galvanic contact of the external conductor of the feeder through the first conductive clamp with the edge 4. Terminal 20 corresponds to the point at the inlet of the central conductor of the matching piece of cable. The number 21 denotes the galvanic contact point of the matching cylinder through a conductive clamp 8 with the edge 5 of the gap 3.

Два последовательно включенных конденсатора 15 и 16 имеют эквивалентную емкость С₃:Two series-connected capacitors 15 and 16 have an equivalent capacitance C ₃ :

$$C_3=\frac{C_1\cdot C_2}{C_1+C_2}\text{ (1)}$$

$${\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="C"\; filenames="00000011.png"\; state="\{\{state\}\}">C</figure-callout>}}_3=\frac{C_{\mathrm{one}}\cdot C_2}{C_{\mathrm{one}}+C_2}\text{(one)}$$

Входное сопротивление на клеммах 19, 20 Z_вх, обусловленное последовательным включением эквивалентной емкости С₃ и цепочки из параллельно включенных сопротивления R и индуктивности L, на частоте ω равно:The input resistance at the terminals 19, 20 Z _in , due to the series connection of the equivalent capacitance C ₃ and a chain of parallel-connected resistance R and inductance L, at a frequency ω is equal to:

$$Z_{вх}\frac{1}{i\omega C_3}+\frac{i\omega LR}{R+i\omega L}=\frac{-i}{\omega C_3}+\frac{i\omega LR\left(R-i\omega L\right)}{R^2+{\left(\omega L\right)}^2}=\frac{{\omega }^3{C}_3{L}^{2}R+i\left[\omega C_3\omega L{R}^2-R^2-{\left(\omega L\right)}^2\right]}{\omega C_3\left[R^2+{\left(\omega L\right)}^2\right]}\text{ (2)}$$

$$Z_{\mathrm{at}x}\frac{\mathrm{one}}{i\omega {\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="C"\; filenames="00000011.png"\; state="\{\{state\}\}">C</figure-callout>}}_3}+\frac{i\omega LR}{R+i\omega L}=\frac{-\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="i\; \omega \; C"\; filenames="00000011.png"\; state="\{\{state\}\}">i\; </figure-callout>}}{\omega C_{}}+\frac{i\omega LR\left(R-i\omega L\right)}{{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="R"\; filenames="00000011.png"\; state="\{\{state\}\}">R</figure-callout>}}^2+{\left(\omega L\right)}^2}=\frac{{\omega }^3{C}_3{L}^{2}R+i\left[\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="\omega \; C"\; filenames="00000011.png"\; state="\{\{state\}\}">\omega \; </figure-callout>}{C}_{}{}_3\omega L{R}^2-R^2-{\left(\omega L\right)}^2\right]}{\omega C_3\left[{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="R"\; filenames="00000011.png"\; state="\{\{state\}\}">R</figure-callout>}}^2+{\left(\omega L\right)}^2\right]}\text{(2)}$$

На резонансной частоте мнимая часть входного сопротивления равна нулю, т.е.At the resonant frequency, the imaginary part of the input resistance is zero, i.e.

$${\omega }_{рез}^2{C}_{3}L{R}^2=R^2+{\left({\omega }_{рез}L\right)}^2\text{ (3)}$$

$${\omega }_{Res}^2{C}_3\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="L\; R"\; filenames="00000011.png"\; state="\{\{state\}\}">L\; </figure-callout>}{R}^{}{}^2={\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="R"\; filenames="00000011.png"\; state="\{\{state\}\}">R</figure-callout>}}^2+{\left({\omega }_{Res}L\right)}^2\text{(3)}$$

Сделав в (2) замену в знаменателе множителя в квадратных скобках на его значение из (3), получим величину Ζ_вх на резонансной частоте:Having made in (2) the replacement in the denominator of the factor in square brackets with its value from (3), we obtain the value of Ζ _in at the resonant frequency:

$$Z_{вх}=\frac{{\omega }_{рез}^3{C}_3{L}^{2}R}{{\omega }_{рез}{C}_3{\omega }_{рез}^2{С}_{3}L{R}^2}=\frac{\frac{L}{C_3}}{R}\text{ (4)}$$

$$Z_{\mathrm{at}x}=\frac{{\omega }_{Res}^3{C}_3{L}^{2}R}{{\omega }_{Res}{\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="C"\; filenames="00000011.png"\; state="\{\{state\}\}">C</figure-callout>}}_3{\omega }_{Res}^2{\mathrm{FROM}}_3\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="L\; R"\; filenames="00000011.png"\; state="\{\{state\}\}">L\; </figure-callout>}{R}^{}{}^2}=\frac{\frac{L}{C_3}}{R}\text{(four)}$$

Идеальное согласование с фидером достигается при равенстве входного сопротивления антенны волновому сопротивлению фидера. При заданных L и R регулировка по согласованию достигается подбором величины эквивалентной емкости С₃.Perfect matching with the feeder is achieved when the input impedance of the antenna is equal to the wave impedance of the feeder. For given L and R, adjustment by agreement is achieved by selecting the equivalent capacitance value C ₃ .

В предельном случае, когда отсутствует согласующий цилиндр (C₁→∞), эквивалентная емкость С₃ равна емкости С₂ - емкости согласующего отрезка кабеля. Обычно для согласования антенны с фидером требуется иметь небольшое значение величины С₂. Иногда, при работе в метровом и дециметровом диапазонах волн требуется согласующий отрезок длиной не более десяти миллиметров. Небольшие по абсолютной величине изменения длины отрезка кабеля приводят к сравнительно большим относительным изменениям величины С₂. Поэтому при точной настройке антенны на рабочую частоту требуется изменять длину согласующего отрезка на доли миллиметра. Необходимость подбора длины согласующего отрезка кабеля с точностью до долей миллиметра затрудняет процесс настройки антенны.In the extreme case, when there is no matching cylinder (C ₁ → ∞), the equivalent capacitance C ₃ is equal to the capacitance C ₂ - the capacitance of the matching piece of cable. Typically, matching the antenna with the feeder requires a small C ₂ value. Sometimes, when working in the meter and decimeter wavelengths, a matching length of not more than ten millimeters is required. Small in absolute value changes in the length of the length of the cable lead to relatively large relative changes in the value of C ₂ . Therefore, when fine-tuning the antenna to the operating frequency, it is necessary to change the length of the matching segment by a fraction of a millimeter. The need to select the length of the matching cable segment with an accuracy of fractions of a millimeter complicates the process of tuning the antenna.

Совсем другая ситуация, когда имеем дело с двумя последовательно включенными емкостями: емкостью C₁ и емкостью C₂. Известно, что последовательным включением двух конденсаторов получаем эквивалентный конденсатор с емкостью меньше, чем емкости каждого конденсатора в отдельности. Теперь при фиксированном значении С₁, изменяя емкость C₂ в больших пределах, получим изменения величины эквивалентной емкости в небольших пределах.A completely different situation when we are dealing with two series-connected capacities: capacity C ₁ and capacity C ₂ . It is known that by sequentially switching on two capacitors we get an equivalent capacitor with a capacity less than the capacitance of each capacitor separately. Now, with a fixed value of C ₁ , changing the capacitance of C ₂ within large limits, we obtain changes in the value of the equivalent capacity in small limits.

Исходная длина согласующего отрезка кабеля очевидно должна быть большей по сравнению с тем случаем, когда нет этого другого конденсатора. Следовательно, изменение длины согласующего отрезка кабеля теперь в относительных единицах больше, а настройка более точной.The initial length of the matching piece of cable should obviously be larger compared to the case when there is no other capacitor. Consequently, the change in the length of the matching cable length is now in relative units more, and the setting is more accurate.

Т.е. настройка антенны на рабочую частоту изменением длины согласующего отрезка кабеля, например, путем его подрезания не вызывает затруднений, т.к. изменения длины выполняется на величины, измеряемые миллиметрами.Those. tuning the antenna to the operating frequency by changing the length of the matching cable segment, for example, by cutting it, does not cause difficulties, because length changes are carried out by quantities measured in millimeters.

Антенна обладает следующим достоинством, заключающимся в том, что с введением в состав антенны согласующего цилиндра повышается электрическая прочность антенны. Наибольшая напряженность электрического поля при возбуждении антенны возникает в согласующем отрезке кабеля. В антенне с согласующим цилиндром разность потенциалов между центральны проводником и кромкой трубы теперь распределяется между двумя конденсаторами, первый из них образован центральным проводником и внешним проводником кабеля, второй конденсатор образован внешним проводником кабеля и согласующим цилиндром. Сумма падений напряжений на этих двух конденсаторах равна разности потенциалов между центральным проводником и кромкой. Т.е. напряжение на каждом из конденсаторов меньше, чем общее напряжение, чем и достигается повышение электрической прочности антенны.The antenna has the following advantage, namely, with the introduction of a matching cylinder into the antenna, the electric strength of the antenna increases. The greatest electric field strength upon excitation of the antenna occurs in the matching piece of cable. In an antenna with a matching cylinder, the potential difference between the central conductor and the pipe edge is now distributed between the two capacitors, the first of them is formed by the central conductor and the external cable conductor, the second capacitor is formed by the external cable conductor and the matching cylinder. The sum of the voltage drops across these two capacitors is equal to the potential difference between the center conductor and the edge. Those. the voltage on each of the capacitors is less than the total voltage, which is achieved by increasing the electrical strength of the antenna.

ПримерыExamples

Были изготовлены два образца щелевой цилиндрической антенны. Первый образец содержал проводящий цилиндр с продольной щелью, фидер и согласующий отрезок кабеля. В первом образце не было согласующего цилиндра, первого проводящего хомута и второго проводящего хомута. Внешний проводник согласующего фидера имел гальванический контакт непосредственно с кромкой 4. Второй образец отличается от первого тем, что дополнительно содержит согласующий цилиндр, первый проводящий хомут и второй проводящий хомут. Во втором образце использован согласующий отрезок кабеля большей длины, чем в первом образце. Во втором образце согласующий отрезок кабеля проложен внутри согласующего цилиндра и продолжается за его пределами. Ниже будет приведено описание второго образца, соответствующего настоящему изобретению. При описании образца антенны будем обращаться к обозначениям фиг. 1 и фиг. 2.Two samples of a slotted cylindrical antenna were made. The first sample contained a conductive cylinder with a longitudinal slot, a feeder, and a matching length of cable. The first sample did not have a matching cylinder, a first conductive clamp and a second conductive clamp. The outer conductor of the matching feeder had galvanic contact directly with the edge 4. The second sample differs from the first in that it additionally contains a matching cylinder, a first conductive clamp and a second conductive clamp. In the second sample, a matching length of cable is used than in the first sample. In the second sample, the matching piece of cable is laid inside the matching cylinder and extends beyond it. Below will be described a second sample corresponding to the present invention. When describing the antenna sample, we will refer to the notation of FIG. 1 and FIG. 2.

Образец антенны состоит из цилиндрического корпуса 2 со щелью 3 с первой кромкой 4 и второй кромкой 5, фидера 6, согласующего отрезка кабеля 10, согласующего цилиндра 9, первого хомута 7 и второго хомута 8 и элементов крепежа.The antenna sample consists of a cylindrical body 2 with a slot 3 with a first edge 4 and a second edge 5, a feeder 6, a matching piece of cable 10, a matching cylinder 9, a first clamp 7 and a second clamp 8 and fasteners.

Корпус 2 длиной 720 мм, диметром 130 мм выполнен из луженой жести толщиной 0,3 мм. Корпус в поперечном сечении имеет вид окружности. В корпусе вырезана щель 3 длиной 640 мм, шириной 30 мм с образованием первой кромки 4 и второй кромки 5, параллельных продольной оси цилиндрического корпуса.Case 2 with a length of 720 mm and a diameter of 130 mm is made of tinned sheet with a thickness of 0.3 mm. The case in cross section has the form of a circle. A slit 3 is cut out in the casing 3 with a length of 640 mm and a width of 30 mm to form a first edge 4 and a second edge 5 parallel to the longitudinal axis of the cylindrical casing.

В качестве фидера 6 использован серийный коаксиальный кабель РК-50-2-11.As feeder 6 used serial coaxial cable RK-50-2-11.

Согласующий отрезок фидера 10 выполнен в виде короткого отрезка коаксиального кабеля РК-50-2-11. Отрезок 10 коаксиального кабеля расположен внутри согласующего цилиндра 9.The matching segment of the feeder 10 is made in the form of a short segment of the coaxial cable RK-50-2-11. A piece of 10 coaxial cable is located inside the matching cylinder 9.

Согласующий цилиндр 9 выполнен из латунной трубки с внутренним диаметром 4 мм. При этом были выполнены измерения при трех длинах трубки: 11,5 мм; 7 мм; 5 мм.The matching cylinder 9 is made of a brass tube with an inner diameter of 4 mm. In this case, measurements were made at three tube lengths: 11.5 mm; 7 mm; 5 mm.

Конец согласующего отрезка кабеля 10, противолежащий щели, разомкнут и ни с чем не соединен. Центральный проводник 11 согласующего отрезка 10 коаксиальной линии выходит из согласующего цилиндра 9 и простирается до середины щели 3.The end of the matching segment of the cable 10, the opposite slots, is open and is not connected to anything. The Central conductor 11 of the matching segment 10 of the coaxial line exits the matching cylinder 9 and extends to the middle of the slit 3.

Фидер 6 закреплен на поверхности цилиндра вдоль прямой, диаметрально противоположной продольной оси щели, изогнут в окрестности точки возбуждения антенны, проложен внутри первою хомута 7 и далее располагается над щелью 3, проложен внутри согласующего цилиндра 9 и далее продолжается за пределами цилиндра 9. Наружная изоляция фидера надрезана и снята на длине щели. Внешний проводник (оплетка) разрезан по окружности на входе во второй хомут 8, оплетка расчесана в направлении к кромке 4. Расчесанная оплетка равномерно распределена по кругу и припаяна к хомуту 7. Таким образом, внешний проводник фидера 6 гальванически соединен через хомут 7 с первой кромкой 4 щели, а центральный проводник 12 фидера 6 соединен с центральным проводником 11 согласующего отрезка кабеля 10. Второй конец коаксиального фидера 6 заделан в соединитель радиочастотный.The feeder 6 is fixed on the cylinder surface along a straight, diametrically opposite longitudinal axis of the slit, bent in the vicinity of the antenna excitation point, laid inside the first clamp 7 and then located above the slot 3, laid inside the matching cylinder 9 and then continues outside the cylinder 9. The outer insulation of the feeder incised and removed along the length of the gap. The outer conductor (braid) is cut in a circle at the entrance to the second clamp 8, the braid is combed towards the edge 4. The combed braid is evenly distributed in a circle and soldered to the clamp 7. Thus, the outer conductor of the feeder 6 is galvanically connected through the clamp 7 to the first edge 4 slots, and the Central conductor 12 of the feeder 6 is connected to the Central conductor 11 of the matching piece of cable 10. The second end of the coaxial feeder 6 is embedded in the radio frequency connector.

Для крепления фидера 6 к корпусу 2 использованы стандартизованные хомуты, винты и гайки.To attach the feeder 6 to the housing 2, standardized clamps, screws and nuts are used.

Измеренные на образцах значения реальной ReZ и мнимой ImZ частей входного импеданса антенны прототипа и антенны по настоящему изобретению в диапазоне частот приведены в виде графиков на фиг. 4а).The values of real ReZ and imaginary ImZ parts of the input impedance of the prototype antenna and the antenna of the present invention in the frequency range, measured on the samples, are plotted in FIG. 4a).

Измеренные на первом и втором образцах антенны зависимости КСВ от частоты приведены в виде графиков на фиг. 4б). График 22 соответствует первому образцу антенны. При этом длина согласующего отрезка кабеля равна 10,5 мм. Графики 23, 24 и 25 соответствуют второму образцу антенны с длиной согласующего цилиндра 11,5 мм, 7 мм и 5 мм, соответственно. При этом длина согласующего отрезка кабеля равна 20,5 мм, 24 мм и 30 мм, соответственно.The SWR versus frequency measured on the first and second samples of the antenna are shown in graph form in FIG. 4b). Graph 22 corresponds to the first sample antenna. At the same time, the length of the matching cable segment is 10.5 mm. Graphs 23, 24 and 25 correspond to the second sample antenna with a matching cylinder length of 11.5 mm, 7 mm and 5 mm, respectively. At the same time, the length of the matching cable segment is 20.5 mm, 24 mm and 30 mm, respectively.

При настройке первого образца антенны на резонансную частоту длина согласующего отрезка кабеля изменялась с дискретом 0,25 мм. Изменение длины согласующего отрезка на 0.25 мм приводило к изменению резонансной частоты на 0,5 МГц. При настройке второго образца антенны на резонансную частоту длина согласующего отрезка кабеля изменялась с дискретом 2 мм. Изменение длины согласующего отрезка на 2 мм приводило к изменению резонансной частоты на 0,5 МГц. Как видно из рассмотрения графиков на фиг. 4, антенна, настроенная на одну и ту же резонансную частоту при разных соотношениях длины согласующего цилиндра и длины согласующего отрезка кабеля, имеет практически одну и ту же зависимость КСВ от частоты. Более выгодно применить согласующий цилиндр меньшей длины.When tuning the first sample of the antenna to the resonant frequency, the length of the matching length of the cable changed with a discretion of 0.25 mm. A change in the length of the matching segment by 0.25 mm led to a change in the resonance frequency by 0.5 MHz. When tuning the second sample of the antenna to the resonant frequency, the length of the matching cable segment changed with a discrete of 2 mm. A change in the length of the matching segment by 2 mm led to a change in the resonant frequency by 0.5 MHz. As seen from the consideration of the graphs in FIG. 4, an antenna tuned to the same resonant frequency with different ratios of the length of the matching cylinder and the length of the matching cable length has almost the same SWR versus frequency. It is more advantageous to use a matching cylinder of shorter length.

Действительно, приращение DС₂ эквивалентной емкости С₃ можно найти из соотношения:Indeed, the increment DC _{2 of} equivalent capacity C ₃ can be found from the relation:

$$\Delta C_3=\frac{d{C}_3}{d{C}_2}\Delta C_2=\frac{d\left(\frac{C_1{C}_2}{C_1+C_2}\right)}{d{C}_2}\Delta C_2=\frac{C_1\left(C_1+C_2\right)-C_1{C}_2}{{\left(C_1+C_2\right)}^2}\Delta C_2=\frac{C_1^2}{{\left(C_1+C_2\right)}^2}\Delta C_2=\frac{1}{1+{\left(\frac{C_2}{C_1}\right)}^2}\Delta C_2\text{ (5)}$$

$$\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="\Delta \; C"\; filenames="00000011.png"\; state="\{\{state\}\}">\Delta \; </figure-callout>}{C}_{}{}_3=\frac{d{C}_3}{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="d\; C"\; filenames="00000011.png"\; state="\{\{state\}\}">d\; </figure-callout>}{C}_{}{}_2}\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\Delta \; C"\; filenames="00000011.png"\; state="\{\{state\}\}">\Delta \; </figure-callout>}{C}_{}{}_2=\frac{d\left(\frac{C_{\mathrm{one}}{C}_2}{C_{\mathrm{one}}+C_2}\right)}{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="d\; C"\; filenames="00000011.png"\; state="\{\{state\}\}">d\; </figure-callout>}{C}_{}{}_2}\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\Delta \; C"\; filenames="00000011.png"\; state="\{\{state\}\}">\Delta \; </figure-callout>}{C}_{}{}_2=\frac{C_{\mathrm{one}}\left(C_{\mathrm{one}}+C_2\right)-C_{\mathrm{one}}{C}_2}{{\left(C_{\mathrm{one}}+C_2\right)}^2}\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\Delta \; C"\; filenames="00000011.png"\; state="\{\{state\}\}">\Delta \; </figure-callout>}{C}_{}{}_2=\frac{C_{\mathrm{one}}^2}{{\left(C_{\mathrm{one}}+C_2\right)}^2}\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\Delta \; C"\; filenames="00000011.png"\; state="\{\{state\}\}">\Delta \; </figure-callout>}{C}_{}{}_2=\frac{\mathrm{one}}{\mathrm{one}+{\left(\frac{C_2}{C_{\mathrm{one}}}\right)}^2}\Delta C_2\text{(5)}$$

Из этого соотношения следует: чем меньше емкость согласующего цилиндра С₁ (чем меньше длина согласующего цилиндра), тем меньше изменяется эквивалентная емкость при одних и тех же приращениях емкости С₂ (приращении длины согласующего отрезка кабеля). При это возможно применение более длинных согласующих отрезков кабеля.From this ratio it follows: the smaller the capacitance of the matching cylinder C ₁ (the smaller the length of the matching cylinder), the less the equivalent capacity changes with the same increments of the capacitance C ₂ (increment of the length of the matching length of cable). In this case, it is possible to use longer matching cable segments.

С более длинными согласующими отрезками кабеля более удобно настраивать антенну, т.к. при этом можно использовать традиционный инструмент для подрезки кабеля.With longer matching cable lengths, it’s more convenient to tune the antenna, as however, you can use a traditional cable trimmer.

Измерения поляризационных характеристик антенны показали, что антенна обладает линейной поляризацией. Выполненные на антенне измерения свидетельствуют о том, что антенна свободна от антенного эффекта фидера.Measurements of the polarization characteristics of the antenna showed that the antenna has linear polarization. Measurements made on the antenna indicate that the antenna is free of the antenna effect of the feeder.

Применение изобретенияApplication of the invention

Изобретение может быть применено в качестве самостоятельной антенны, в качестве элементов более сложных антенн, излучающих элементов антенных решеток, облучателей зеркальных и линзовых антенн.The invention can be applied as a standalone antenna, as elements of more complex antennas, radiating elements of antenna arrays, irradiators of mirror and lens antennas.

Антенна при этом может быть использована либо как самостоятельная антенна, либо в качестве элемента линейной антенной решетки.The antenna can be used either as an independent antenna, or as an element of a linear antenna array.

Предложенная широкополосная вибраторная антенна оказывается полезной во всех тех случаях, когда требуется либо самостоятельная щелевая антенна, либо излучающий (приемный) элемент более сложного антенного устройства или антенной системы, от которых требуются низкие потери в фидере, высокий кпд антенны, малый уровень кроссполяризационного излучения.The proposed broadband vibrator antenna is useful in all cases where either an independent slot antenna is required, or a radiating (receiving) element of a more complex antenna device or antenna system, which requires low losses in the feeder, high antenna efficiency, and a low level of cross polarization radiation.

Claims (2)

1. Щелевая цилиндрическая антенна, содержащая проводящий цилиндрический корпус, в котором выполнена продольная щель с первой и второй кромками и фидер, отличающаяся тем, что содержит первый хомут, закрепленный на первой кромке щели с образованием гальванического контакта, второй хомут, закрепленный на второй кромке щели с образованием гальванического контакта, согласующий цилиндр и согласующий отрезок кабеля, согласующий цилиндр закреплен на второй кромке щели и проложен через второй хомут, согласующий отрезок кабеля установлен на второй кромке щели и проложен через согласующий цилиндр, фидер закреплен на поверхности цилиндра вдоль прямой линии, диаметрально противоположной продольной оси щели, с загибом в сторону щели в окрестности точки возбуждения щели и проложен через первый хомут с образованием внешним проводником фидера гальванического контакта с первым хомутом, центральный проводник фидера гальванически соединен с центральным проводником согласующего отрезка кабеля.1. A slotted cylindrical antenna comprising a conductive cylindrical body in which a longitudinal slit with first and second edges is made and a feeder, characterized in that it comprises a first clamp fixed to the first edge of the slot with the formation of galvanic contact, a second clamp fixed to the second edge of the slot with the formation of galvanic contact, the matching cylinder and the matching cable length, the matching cylinder is fixed to the second edge of the slot and laid through the second clamp, the matching cable length is set to W along the slot edge and laid through the matching cylinder, the feeder is fixed on the cylinder surface along a straight line diametrically opposite the longitudinal axis of the slot, with a bend towards the slot in the vicinity of the slot excitation point and laid through the first clamp to form an external conductor of the feeder with galvanic contact with the first clamp the central conductor of the feeder is galvanically connected to the central conductor of the matching piece of cable. 2. Щелевая цилиндрическая антенна по п. 1, отличающаяся тем, что согласующий цилиндр выполнен в виде кругового проводящего цилиндра. 2. The slotted cylindrical antenna according to claim 1, characterized in that the matching cylinder is made in the form of a circular conductive cylinder.

Images