Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМІ. В сятешюй технике практически всех диапазонов волн широко используются вибраторные антенны. Оня применяются в качестве самостоятельных антенних устройств, как облучатели зеркальных и линзовых антенн я как элементы антенных репегок. Недостатками вибраторных антена является их невысокий коэффацЕезг-усиления, когда они используются как самостоятельные антенные устройства, и наличие слонных какий питания, если они объединяется з антенные решетки. Таким образом, надо признать практически везекия Есе направления исследований, позволпщих увеличить эффективность вибраторных антенн, т.е. увеличить их коэффициент усиления, или упростить питающую линии без заг.'етного ухудшения направленных свойств. Одним из способов резения этой проблемы является использование.пассивных перензлучателей, под которыми будем понимать иогая-лические проводники, не присоединенные к передатчику или приемнику. Вообще говоря, этот способ не является новьш. Известно применение перензлучателей (рефлекторов) в виде прямоугольной или круглой пластин, известны директорше антенны, состоящие из одного активного и нескольких пассивных вибраторов и т.н. В данной работе исследовались антенны с невыступакцей или иаловыступающей конструкцией (направление максимального излучения перпендикулярно плоскости расположения элементов антенны). Использование пассивных перз-пзлучателей в таких аніеннах в научно-технической и патентной литературе практически не освецзно. Таким образом, те«а диссертационной работы является актуальной.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ состояла в изучении возможности повышения эффективности вибраторных антенн па основе использования пассивных переизлучателей и в разработке на базе этого анализа конкретных схем
*5«
вибраторных антенн с пассивными элементами.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ состояли в следующей:
-рбаенае задачи дифракции электромагнитных полей элементарного электрического вибратора (ЭЭБ) н симметричного электрического вибратора (СЗЗ) на ідеально проводящих кольцевых переизлучате-ввх в виде плоского кольца и тора;
анализ возможности повышения эффективности антенного устройства с пассивным кольцевым переизлучателеы путем деформации формы перенздучателя;
апалпз оптимального расположения симметричных вибраторов, возбужденных однни активным;
исследование возможности использования пассивных переизпуча-тедей во многовибраторных антеннах.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА результатов, полученных в диссертационной работе, состоит в том, что впервые:
решена задача дифракции электромагнитной волны, создаваемой ЭЭБ, на идеально проводядем бесконечно тонком кольце;
решена задача дифракции сферической электромагнитной волны, созданной ЭЭВ, на идеально проводящем тороидальном переизлучателе;
репена электродинамическая задача возбуждения тороидального переизлучателя блигаиа полем СЗВ. Показано, что в этом случае пе-реизлучатель овальной формы обеспечивает больиую эффективность, чем круговой переиздучатель;
исследована возможность улучшения электрических и технико--эконокических характеристик конкретных схем вибраторных антенн (синфазные деканетроЕые антенны типа СГД, антенны зенитного излучения и др.) путем использования пассивных вибраторных переизлучателей.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. При репети сформулированных задач кмшь-зованы нетодн .теории дифракции, в частности, метод интегральЕнх уравнений Гринберга, позволяющий свести задачу определения токоз па плоских переизпучателях к реиеЕйэ интегрального уравнения Сред— гопька, и метод замены поверхностного тона иа переизпучателе кругового поперечного сечения фиктивный осевин токси, что позволяет сравнительно просто решить интегральное уравнение; использован так-se обобщенный метод наведенннх ЭДС, позволЕЕцап строго определить распределение тока на активно, питаешь п.пассивных вибраторах. Попользовались такне методы моделирования ва ЭЕМ и экспериментальные исследования.
ДОСТОВЕРНОСТЬ осноеных результатов и гиводов обусловлена тец, что:
интегральные уравнения з главах і з 2 получены на основе строгой постановки рассматриваемых за^ач, вторичное поле представлено в виде, автоматически удовлетворяющей уравнениям Максвелла, условиям излучения, услозини на ребре и граничным условиям, интегральные уравнения решаются аспыяготичесяп с гоптролеа точносга;
для реиения задач, рассматривает:: б главах 3 и 4, пспояьго<-вался широко применяемый в настоящее время, обобщенный нетод наведенных ЭДС;
полученные расчетные данные хорошо согласуются с результатами экспериментальных псследоваип".
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ диссертгцЕОРВоЯ работы определяется следующими результатами:
- определена оптимальная геометрия антенной системы, состояла
из симметричного электрического вибратора и кольцевого пассивного
переизлучателя, позволяющая обеспечить цакскаальное увеличение
коэффициента направленного действия (КНд) по сравнению с уединенный вибратором;
определена оптимальная геометрия такой же антенной системы, когда она снабгена идеально проводящий плоский рефлектором;
определено оптимальное расположение элементов антенной системы, состоящей из активного вибратора и нескольких пассивных;
доказана возможность упрощения системы питания многоэтапной синфазной антенны путем замены части активно питаемых вибраторов пассивными;
предложена схема синфазной одноэтажной декаметровой антенны СГД, в которой путем использования дополнительных пассивных вибраторов оказывается возможный существенно улучсштъ направленные своЕсиа и увеличить эффективность;
предлокен вариант антенны зенитного излучения с пассивными вибраторами, обладающей более простой схемой питания, чем типовые антенны зенитного излучения;
предлокен вариант короткой директорией антенны с двуыя дополнительными пассивными вибраторами, расположенными над и под активным вибратором.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ. Основные результаты диссертационной работы использованы и внедрены рядом предприятий, как-то Ассоциацией развития информационных технологий, ГСПИ РТВ, НІШР, А/0 "Ассоциация Радио-ЛТД", что подтверждено актами внедрения, приведенными в Приложении 3.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы получили положительную оценку на конференциях профессорско-преподавательского состава 1ЛУСИ в 193? ... 1992 годах. Материалы первой главы, отмечены Государственным Комитетом по народному образованию медалью на Всесоюзном конкурсе на лучшую студенческую научную работу.
ПУБЛИКАЦИИ ПО РАБОТЕ. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в нести статьях з журналах "Электросвязь" и "Труда IffifiF", поданы две-заявка на авторские свадетельсїза.
ОБЬЕУ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, описка литературы из 61 наименования. Она содеркит 133 с. основного текста, 133 рисунков па 43 с. и 1'+ с. приложений. Обдпй. обге;і работч - ISO с.
-
Метод интегральных уравнений Гринберга позволяет успезпо решить задачу дифракции сферической электромагнитной волны, созданной элементарный электрическим вибратором на плоской кольце.
-
1.;етод интегрального уравнения позволяет репить задачу дифракции сферической электромагнитной золка на тсропдальиса псрепзлучате-ле, найти оптимальную геометрии спстеыы, получить выражения для направленных свойств и коэффициента усиления антенной систеиы ,ТЗЭЗ плюс тор".
5. Обобщенный метод наведенных ЭДС позволяет проанализировать свойства ьшоговнбратэрноП антенной рзпетки нормального излучения, состоящей из одного активного и нескольких пассивных вибраторов. Такие антенные реиетх;: могут использоваться как облучателя зеркальных антенн п з качестве антенн для радиотелефона.
Ь~. Введение пассивных пзрепзлучгтелеЯ в конструкции антенн СГД J—- РА и короткой директерной антенны позволяет существенно улучшить направленные свойства этих антенн без усложпения фидерной
5. Использование пассивных переизлучателей в многоэтапной антенне СТдРЛ и зепміЕО" аптйнне позволяет упростить фидерную линию зтнх антенн без существенного ухудпекия направленных свойств.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОЙ!
Во введен "ий- обоснована актуальность, практическая ценность и новизна материалов работы, приведен обзор научно-технической в патентной литературы. Сформулированы цепи и задачи исследования.
Первая глава посвящена решению задачи дифракции сферической электромагнитной волны на узком плоском кольце и торе.
Б первой части главы рассмотрена задача дифракции на плоской
бесконечно -тонком идеально проводящем кольце. Известно, что для ре
шения подобных задач целесообразно использовать-метод интегральных
уравнений Гринберга. При помощи этого метода в разделе I.I решена
упомянутая дифракционная задача для кольца в предположении, что его
ширина ів «Я . а радиус средней .линии & удовлетворяет условию
$В » I, где $= 231/* (рис.1).
се>
Рис.1 В соответствии с методом Гринберга были составлены интегральные уравнения для декартовых составляющих ^- и «ta - плотности тока на кольце. В право? чести этих уравнение имеются неизвестные константы, которые в процессе решения определяются кз условия на : ебре (условие Кекснера). Как :;скоі:ьіе, так и известнее ункцші
были разлонены в ряды Фурье по угловой координате и получены интегральные уравнения относительно Фурье-составляющих плотности тока ^ . Показано, что только некоторые из Фурье-составляющих тока отличны от нуля и теп самым система интегральных уравнений относительно вурье-сооеавлягацих преобразована к двум интегральным уравнениям.
Для решения этих интегральных уравнений внутренний интеграл,
представляющий собой так называемую базовую р - функцию, заменен асимптотическим' представлением, обеспечавающш необходимую точность при йВ»1 и J^44- I. Это позволило перейти к.одному интегральному уравнению с различными прагами частями (три варианта). Была введена радиальная переменная Ц, , изменяющаяся на поверхности кольца от -I до +1,11 представлены в виде тригонометрических рядов по аргументу qjocccs 4 асимптотическое представление базовой
^- функции, являющейся ядром интегрального уравнения, а таїже искомая плотность тока. В аналогичные ряды разложены и правые части интегральных уравнений (три варианта). Этим получена система линейных уравнений для искомых коэффициентов разложения плотности тока. Отметим, что при решении с точностью до членов (get), где си- полуширина кольца, в системе линейных уравнений определявшими яеляют-ся только первые три.
Нз условия равенства нулю радиальной составляющей плотности тока на кромках: кольца определены неизвестные коьстанты и тем самый получены в явном виде выражения для искомой плотности тока ^ .
Далее определено вторичное поле кольца и полное поле антенного устройства, состоящего из 3SB и плоского кольца, как при расположении ЭВВ в плоскости кольца (с{ = О, см.рис.I), так и при относе его из этой плоскости. Получены формулы для диаграммы направленности
3S*
антенной системы по основной и перекресгной поляризациям.
Расчеты показали, что наличие плоского кольца существенным образом влияет на диаграмму направленности (ДН) возбудителя. В плоскости Е ДН сусается в полтора раза, в плоскости Н - в 2 - 3 раза. Общий выигрыш'в КНД составляет 5-6 дБ. Показано, что пассивный переизлучатель кольцеього типа не обеспечивает заметного рефлектирующего действия, то есть не обеспечивает однонаправленпости излучения в случае выноса ЭЭВ из плоскости кольца ( <А- 0).
Решению задачи дифракции сферической электромагнитной волны на тонком тороидальном переизлучателе посвящен раздел 1.2. Задача дифракции решалась методом интегрального уравнения путем замены реального поверхностного тока на переизлучателе некоторым эквивалентный фиктивным током, текущий по осевой линии переизлучателя. В интегральном уравнении ядро его заменялось, как и ранее, асимптотическим представлением, что позволило, использовав граничное условие на поверхности переизлучателя, получить в явном виде выражение для величина эквивалентного тока.
Сравнение решений задач для плоского и тороидального переизлучателей показало, что их вторичные поля в дальней зоне одинаковы, если полуширина плоского кольца равна диаметру тороидального кольца. Это распространило известный принцип эквивалентности тонких прямолинейных плоских и круглых проводников на изогнутые проводники.
Приведены результаты расчетов направленных свойств антенной системы, состоящей из ЗЭВ и тороидального переизлучателя, как в случае, когда ЭЭВ лежит в плоскости осевой линии тора, так и при выносе 3SB из этой плоскости. В связи с тем, что кольцевой переизлучатель не обладает заметными рефлектирующими свойствами, для при-
даяия излучении однонаправленности рассматриваемую антеннув систему необходимо снабдить плоский металлическим рефлектором. Реяена задача дифракции а для этого случая. Получены формулы для ДН и КНД такой антенной системы. Показано, что путем установки кольцевого переизлучателя з антенную систему, состоящую из ЗЭЗ и плоского экрана, возможно увеличить ее эффективность на - 5 дБ.
Вторая глава посвящена анализу вторичного поля кольцевого переизлучателя, возбужденного симметричный электрический вибратором (СЗВ). Отметим, что при использовании в качестве возбудителей коротких электрических вибраторов йодно использовать ЕШЄ-риалы глзеы I, так как поля излучения ЭЭВ и короткого электрического вибратора близки друг к другу. Однако при переходе к СЭВ большей длины (полуЕолнвЕыы и более длинным) необходи.чо проведение дополнительного анализа, так как поля излучения ЭЭЗ и протяженных глехтри-ческих вибраторов заметно отличаются.
Задача дифракции поля СЭВ на тороидальной переизпучателе резалась так же, как и б разделе 1.2, путеы замены поверхностного така эквивалентный током, текучим по осєеой линии переизлучателя. Ана-. лиз поля CSB показал, что его азимутальная зависимость заметно меняется с изменение!! расстояния от его центра. В частности, на расстояниях порядка (0,5 * 0,7) "X азимутальная зависимость замегяо отличается от синусоидальной и для ее адекватного представления необходимо учитывать несколько членов тригонометрического разложения. Путей использования асимптотического разложения ядра интегрального уравнения была определена в явном виде величина эквивалентного тока в переизлучателе. Получены формулы для направленных свойстз и КНд системы, состоящей из CSB и тороидального переизлучателя.-Показано, чао при замене ЗСВ на СЗЗ КНД антенной системы растет примерно
35*
пропорционально отношению КНД СЭВ к КНД ЭЭВ. Приведеш результаты экспериментальных исследований направленных свойств антенной сие- теин, состоящей из полуволнового СЭВ, кольцевого переизлучателя и иетаплического рефлектора. Экспериментальные данные подтвердили результаты анализа.
В этой главе рассмотрена также возмошюсть увеличения эффективности кольцевого'переизкучателя, возбужденного СЗВ, путей изменения формы его осевой пинии. При использовании в качестве возбудителя ЭЭВ линии равных фаз его юля на любом расстоянии от его центра. представляют собой окружности и .поэтому переизлучатель с круговой осевой пинией возбуждается во всех точках синфазно. Поэтому оптимальный с точка зрения эффективности переизлучатель для ЭЭВ должен иметь круговую форму. Надо полагать, что, если выполнить переизлучатель, возбуждаемый СЭВ таким образом, чтобы вся его поверхность возСуЕдапась синфазно, эффективность его должна быть выше, чем у переизлучатепя с круговой осевой линией, поверхность которого, Еообіце говоря, возбукдается СЭВ несинфазно. Показано, что лереиз-дучатель с осевой линией, совпадающей с овалом Кассини, возбуждается попем СЭВ синфазно. Это приводит к выигрышу по КНД на 0,2 - О.ЗдБ для полувопноБого вибратора (длина плеча 2. = 0,25Я) и па ОД - 0,6 дБ для вибратора длиной 0.75Я ( = 0.375Д) по сравнению с переизлучателем с круговой осевой линией.
Третья глава посвящена анализу эффективности и направленных свойств антенных систем, состоящих из активного вибратора-возбудителя и нескольких пассивных вибраторов, расположенных в одной плоскости, нормальной к направлению максимального излучения. Целесообразность рассмотрения таких антенных систем определяется следующим. Резонансные свойства кольцевого переизлучателя Еыракены
очень слабо. Поэтому наряду с хорошими диапазонами свойстваии эффективность такой системы, как правило, нияе эффективности спстсиы резонансной. Кроме того, па значительной чести поверхности кольца , направление текущих по неиу токов, значительно отличается от направления тока возбудителя, что приводит к дополнительному уыень-сению эффективности и возбуждению кросс-поляризационной составляющей поля. Отсюда следует, что, если заменить кольцевой переизлуча-гель системой параллельных вибраторов, центры которых леаат на окружности, есть основания онидать увеличения эффективности антенной системы. Расчеты показали правильность этого предположения. Неминуемое ухудшение диапазонных свойств, определяемое заменой нерезонансной системі на резонансную, для многих технических прилояе-ейй моает оказаться несущественным.
Анализ антенной вибраторной системы для коротких высокоошшх зибраторов, в частности полуволновых, проводился методом наведенных ЭДС. Проанализированы эффективность, направленные и диапазонные свойства в вариантах использования двух, четырех и шести вибраторов (рис.2).
>» ^ »1
_t___A
dz
...Г
1 d
А)
S)
Ъ
Рис. I
Показано, что эффективность антенной системи при использова
ний r,rjx пассивных вибраторов близка к эффективности системы, со-
сі'оецєЯ Ез возбудителя и кольцевого переазлучатеия (j.Q-% 0,1), и
зькетЕО выае при использований четырех п пеотЕ пассившх вабрато-
рав. Приведены данные экспериментального исследования направленных
сеОіЗзб кноговибраюрных антенных сисгем, показавшие хорошее соот-
веззгга результата!! анализа. .
Sq;ik3 с использованной рассаотренных. вьіпє пассивных перекзлу-чагзгой з качестве самостоятельных антенных устройств или облучателе!! аортальных и линзовых антенн больной интерес представляет воз-иосвзсгь использования пассивных вибраторных переизяучателсй в слоеных кноговкбраторвых аніонних системах, Этоыу вопросу посвящена чоав'ертая глава диссертации. В ней приведен анализ ногзсорцх реально применяемых оЕтенных свстеы, использование в которая пассивных излучателей заметно улучиает их технико-экономически показатели.
Е разделе 4.2 приведены данные, позволявшие проиллюстрировать EoeiasESCTK использования пассивных излучателей в ьшоговибраторных пцїєеИ репетках (АР). С этой целью рассмотрена бесконечная пинаЯ-пая рслегка прау волновых вибраторов с чередуюцлі.ч.сп активным и п&ссёззшк вибратораш (рис.3).
Авагсз показал, что при расстоянии мктду соседними вибраторами d< 0,5Я амплитуда тока в пассивных вибраторах бользе, чей в активных, а при &">0,5Я - меньше. При &- 0,5Я ааплигуда тока з пассивных вибраторах равна амплитуде тока е активних. Фаза тока в пассивных вибраторах близка к фазе тока в активных при д-< 0,5Я ; при dt? 0,5^ токи в активных и пассивных вибраторах практически противофазны.
і
Рис.3
Показано, чго при 0,45 < Щ'Х < 0,5 замена в бесконечной пи-нейной АР половины активных вибраторов на пассивные практически не уменьшает КНД антенны.
Если снабдить анализируемую АР плоский металлический рефлектором, то в этом случае при 0,5< 'Va ^ 0,75 замена половины вибраторов на -пассивные практически не приводит к уменьшению эффективности антенны.
Рассмотрение этой модельной-задачи показало, что во многовибраторных антенных системах имеются определенные возможности кардинального упрощения их системы питания путем замены части активных вибраторов на пассивные.
На основания этого в разделе 4.3 показана целесообразность,.использования декаметровой антенны СТ'Ц с четырьмя этажами активных вибраторов и тремя этаиами пассивных. Такая антенна обладает более простой и дєлєеой линией питания, чем эквивалентная ей nd усилению шестиэтажная антенна СГд. Существенное упрощение линии питания может оказаться более значимым, чем увеличение высоты антенны на один
35»
атаа.
Раздел ЬА посвящен исследованию возможности улучшения направленных свойств декаметрових антенн типа СГД ^пГ"^' ^акап антенна представляет собой линейную цепочку, состоящую из П> симметричных вибраторов,-снабженную рефлектором, наполненным из густой проволочной сетки, и используется в качестве передающей в службах де-каметровой связи и вещания. Антенна типа СГД -^Як при васоте подвеса вибратора над землей, равной %, , где %> = 2t - длина вибратора, обеспечивает интенсивное излучение под низкими углами к горизонту во всей рабочем диапазоне (0,8^ Я < 2,5Яо). Недосіат-кон втой антенны является чрезмерный уровень бокового излучения в коротковолновой части диапазона, что уменьшает КНД и ухуднает помехозащищенность антенны. Существенно улучшить направленные своВот ва антенны СГД —^~—РА возкояно путем установки мекду землей в цепочкой активных вибраторов идентичной цепочки пассивных вибраторов. Анализ показал, что при установке цепочки пассивных вибраторных пєреизлучателей на расстоянии (0,7 * 0,75)% от земли токи в активных и пассивных вибраторах оказываются практически синфазными. В коротковолновой части диапазона при использовании цепочки ПЕСезвішх вибраторов КНД увеличивается примерно в 1,5 раза, а перши боковой лепесток уменьшается в два раза.
В разделе 4.5 исследована возмоеность использовения дополнительных пассивных вибраторов в директорий антенне. Рассмотрен вариант расположения дополнительных пассивных вибраторов над и под активлш вибратором. Это позволяет увеличить КНД короткой директорией антенны на 1,5 - 2,5 дБ без увеличения ее продольного размера.
В разделе 4.6 рассмотрена возмонность использования пассивны вибраторов в антенне зенитного излучения. Для обеспечения радио
вещания на близких расстояниях от передающего центра в диапазоне 60 - 80 ц в последнее время используется т.н. зенитное вещание. Антенны зенитного вещания обеспечивают интенсивное возбуждение ионосферы; отраженное ионосферой поле возвращается к земле и принимается абонентами. Наилучшая устойчивость передачи сигнала в системе зенитного вещания обеспечивается при круговой поляризации излучения. Типовая антенна зенитного излучения состоит из четырех скрещенных вибраторов, подвешенных на разной высоте над землей. В отличие от штатной антенны зенитного излучения^ имеющей четыре точки питания и сложную фидерную систему с корректирующими вставками и коротко-замкнутыми шлейфами, антенна с пассивными вибраторами имеет две точки питания и более простую фідерную систему.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
3 п р и л о s е н и и I приведен вывод асимптотического прод-ставлення для базовой $- функции.
В приложении 2 приведен еывод формулы для КНД вибраторной антенной системы через наведенные сопротивления.
В пр'и лоне ний 3 приведены акты внедрения результатов диссертационной работы.'