Штыревая сингулярная антенна (варианты)

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована как приемо-передающая вибраторная антенна для ведения радиосвязи, радионавигации, радиопротиводействия в совмещенных рабочих диапазонах СВ-КВ-УКВ.

Сущность полезной модели: в штыревой сингулярной антенне, содержащей свободно стоящий над проводящей подстилающей поверхностью вертикальный антенный проводящий стержень, геометрические размеры сечения стержня на высоте h выбираются таким образом, чтобы зависимость погонного волнового сопротивления W(h), образованного стержнем и подстилающей поверхностью, выражалась определенным соотношением. При этом проводящий стержень выполнен с круговым сечением, переменным по высоте, а радиус образующей стержня определяется из указанного выражения. Кроме того, в варианте исполнения проводящий стержень может быть выполнен в виде пустотелой оболочки с сохранением внешней формы, или в виде пустотелой оболочки с сохранением внешней формы, внутри которой установлен заземленный проводящий стержень аналитически обоснованной формы.

Кроме того, проводящий стержень может быть выполнен в виде пустотелой оболочки с сохранением внешней формы, выполненной в виде витой спирали, либо в виде витой спирали, внутри которой установлен проводящий заземленный стержень аналитически обоснованной формы.

Кроме того, проводящий стрежень может быть выполнен в виде пустотелой оболочки с сохранением внешней формы, выполненной в виде отдельных электрически изолированных фрагментов (ободов), а соседние фрагменты соединены между собой индуктивностями, либо пустотелая оболочка может иметь ту же форму, а внутри нее может быть размещен проводящий заземленный стержень аналитически обоснованной формы.

Технический результат - улучшение входного согласования антенны с передатчиком в широкой полосе частот, уменьшение напряженности электромагнитного поля в ближней зоне антенны без снижения интенсивности потока электромагнитной энергии, а также сокращение физических размеров антенны.

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована как приемо-передающая вибраторная антенна для ведения радиосвязи, радионавигации, радиопротиводействия в совмещенных рабочих диапазонах СВ-КВ-УКВ.

Основным излучающим элементом штыревых антенн является токопроводящий штырь, установленный над проводящей поверхностью. Входное сопротивление штыревой антенны содержит активную и реактивную составляющие. Начиная с некоторого значения рабочей частоты, при которой электрическая длина вибратора близка к четверти длины волны электромагнитного колебания, реактивная составляющая входного сопротивления резко возрастает, а активная уменьшается с уменьшением частоты. Для улучшения входного согласования антенны с передатчиком в полосе рабочих частот необходимо уменьшать добротность входного сопротивления антенны, то есть уменьшать реактивную составляющую ее входного импеданса относительно ее активной составляющей.

Известна малогабаритная антенна с расширенными функциональными возможностями в рабочих диапазонах длинных и коротких волн по патенту РФ 2316855, МПК H01Q 9/30, опубл. 10.02.2008. Сущность изобретения состоит в том, что в малогабаритной антенне, содержащей вертикальный токоведущий вибратор, прямолинейные изолированные проводники, расположенные коаксиально параллельно токоведущему вибратору, и проводящую трубку с опорным фланцем в основании, в полости трубки вдоль осевой длины расположен токоведущий проводник, электрически соединенный одним концом с токоведущим вибратором, вторым - с центральным токоведущим проводником коаксиального фидера, внешний проводник которого электрически соединен с опорным фланцем проводящей трубки и горизонтальным экраном.

Изолированные проводники выполнены из отрезков токопроводящего изолированного провода длиной, равной осевой длине токоведущего вибратора, и расположены на его внешней поверхности равномерно на расстоянии, равном шести диаметрам токопроводящего изолированного провода. Изолированные концы прямолинейных изолированных проводников электрически разомкнуты между собой и с токоведущим вибратором. В устройство введены дополнительно N проводящих цилиндров, коаксиально расположенных, электрически соединенных между собой верхними концами, установленных в полости вышеуказанной проводящей трубы, и петлевой изолированный проводник, который выполнен из отрезка токопроводящего изолированного провода длиной, равной длине волны нижней рабочей частоты, и расположен в виде неразрывной петли на внешней поверхности каждого из N проводящих цилиндров вдоль образующей равномерно на расстоянии, равном шести диаметрам токопроводящего изолированного провода. Первый проводящий цилиндр установлен на изолированную внешнюю поверхность вышеуказанного токоведущего проводника, a N-1 проводящие цилиндры установлены поочередно по мере расположения петлевого изолированного проводника, первый изолированный конец которого расположен на верхней кромке первого проводящего цилиндра, второй конец, расположенный на верхней кромке последнего N проводящего цилиндра, электрически соединен через индуктивности с верхним концом проводящей трубы. Токоведущий вибратор выполнен в виде металлической трубы, в полости которой вдоль осевой длины установлен металлический штырь, верхний конец которого электрически соединен с верхним концом металлической трубы токоведущего вибратора, а нижний конец электрически разомкнут.

Конструкция малогабаритной антенны с сильной емкостной связью между изолированными проводниками и, соответственно, сильным электродинамическим воздействием друг на друга изолированных проводников обеспечивает режим, близкий к режиму бегущей волны в рабочих диапазонах длинных и коротких волн, что обеспечивает увеличение функциональных возможностей антенны. Однако для улучшения согласования в низкочастотной части рабочего диапазона увеличивают активную составляющую входного сопротивления антенны путем дополнения антенного вибратора сосредоточенными или распределенными поглощающими элементами, что еще более усложняет конструкцию. При этом мощность, излучаемая антенной в эфир, существенно уменьшается, что снижает эффективность связи.

Увеличение эксплуатационных функциональных возможностей антенного вибратора в непрерывном диапазоне длинных и коротких рабочих волн реализовано в антенне по патенту РФ 2336613, МПК H01Q 9/02, опубл. 20.10.2008.

В конструкцию геометрически короткой антенны (то есть, такой антенны, размеры которой существенно меньше четверти длины волны) с целью расширения полосы пропускания и согласования в нижнем диапазоне рабочих частот антенны введено изолированное устройство цилиндрической формы, установленное в вершине вертикального токоведущего вибратора и выполненное в виде двухпроводной электрически разомкнутой на концах высокочастотной линии без потерь. Эта линия образована токоведущим штырем с изолированным токоведущим проводником, электрически соединенным последовательно с верхним концом вертикального токоведущего вибратора и проводящей поверхностью пассивного проводника, выполненного в форме цилиндра. При этом токоведущий штырь длиной, равной образующей проводящего цилиндра, и изолированный токоведущий проводник длиной, равной 0,25 длины волны нижней рабочей частоты, расположены на изолированной внешней поверхности проводящих цилиндров. За счет сильной внешней емкостной связи пассивно возбуждаемые электромагнитным полем проводящие цилиндры оказывают электродинамическое влияние, равномерно распределенное по длине токоведущего штыря и изолированного токоведущего проводника, и обеспечивают режим, близкий к режиму бегущей волны в диапазоне нижнего участка рабочих частот, в результате чего в диапазоне нижнего участка рабочих частот в антенне имеются два излучающих элемента: токоведущий штырь и вертикальный токоведущий вибратор.

Таким образом, для улучшения согласования в низкочастотной части рабочего диапазона, согласно данному патенту, увеличивают активную составляющую входного сопротивления антенны путем включения в конструкцию антенного вибратора сосредоточенных или распределенных поглощающих элементов. При этом мощность, излучаемая антенной в эфир, как и в предыдущем патенте, существенно уменьшается, что снижает эффективность связи.

Наиболее близкой по технической сущности к заявленной является антенна по патенту РФ 2084995, МПК H01Q 21\28, опубл. 20.07.1997 г., которая состоит из центрального телескопического стержня, выполненного из неподвижного и подвижного звеньев, и расположенных вокруг стержня, соединенных с ним в основании упругих излучателей, которые пропущены через прорези фланца. Нижнее неподвижное звено закреплено на основании, являющемся проводящей подстилающей поверхностью. К верхней части подвижного звена крепится цилиндр, который заканчивается фланцем.

Антенна работает следующим образом. При работе в низкочастотной части диапазона подвижное звено выдвинуто полностью, фланец поднят над основанием, а упругие излучатели расположены почти параллельно центральному стержню, и антенна, по существу, представляет собою штырь. Таким образом, нижняя граница рабочего диапазона антенны определяется размерами штыря.

При работе в высокочастотной части диапазона центральный телескопический стержень сложен, высота его не превышает длину упругих излучателей, фланец опущен и расположен вблизи основания, и антенна представляет собой конус со штырем малой высоты в центре. Работа такой антенны аналогична конической антенне, образованной излучателями, расположенными по образующим конуса.

Таким образом, применение предлагаемой антенны позволяет увеличить рабочий диапазон частот в низкочастотную область, а также не сокращает его в высокочастотной области.

В описанном выше техническом решении по патенту РФ 2084995, которое выбрано в качестве прототипа, благодаря включению в конструкцию антенны проводящих металлических упругих излучателей, при работе в высокочастотной части диапазона увеличиваются поперечные размеры и емкость антенного вибратора. Следовательно, уменьшается реактивная составляющая входного сопротивления, что упрощает входное согласование антенны с передатчиком и позволяет не снижать уровень излучаемой мощности. Однако для согласования антенны такой конструкции с передатчиком необходимо внешнее согласующее устройство. При этом неизбежно возрастает время перестройки антенны с одной рабочей частоты на другую, уменьшается ресурс переключений, существенно ограничивается пропускная способность канала связи, в состав которого входит антенна. Тем самым также снижается эффективность связи.

Полезная модель решает задачу улучшения эксплуатационных и функциональных возможностей штыревых вибраторных антенн, предназначенных преимущественно для использования в качестве корабельных, в непрерывном диапазоне СВ-КВ-УКВ рабочих волн.

Технический результат, достигаемый при осуществлении данной полезной модели, заключается в улучшении входного согласования антенны с передатчиком в широкой полосе частот, повышении КПД антенны, уменьшении напряженности электромагнитного поля в ближней зоне антенны без снижения интенсивности потока электромагнитной энергии, а также в сокращении физических размеров антенны.

Для достижения указанного технического результата в штыревой сингулярной антенне, содержащей свободно стоящий над проводящей подстилающей поверхностью вертикальный антенный проводящий стержень, геометрические размеры сечения стержня на высоте h выбираются таким образом, чтобы зависимость погонного волнового сопротивления W(h), образованного стержнем и подстилающей поверхностью, выражалась соотношением

где

W(h) - погонное волновое сопротивление линии, образованной антенным стержнем и подстилающей поверхностью, в сечении на высоте h;

h - расстояние от подстилающей поверхности до заданного сечения стержня;

H₀ - максимально возможная электрическая длина стержня;

W₀ - требуемое входное сопротивление антенны.

При этом проводящий стержень может быть выполнен с круговым сечением, переменным по высоте, тогда радиус образующей стержня определяется из выражения:

где:

r(h) - радиус стержня, зависящий от расстояния h от подстилающей поверхности;

h - расстояние от подстилающей поверхности до сечения стержня с радиусом r;

W(h) - погонное волновое сопротивление линии, образованной проводящим антенным стержнем и подстилающей поверхностью, в сечении на высоте h;

- диэлектрическая проницаемость среды.

Технический результат достигается также тем, что, в вариантах исполнения проводящий стержень может быть выполнен в виде пустотелой оболочки с сохранением внешней формы, либо в виде пустотелой оболочки с сохранением внешней формы, внутри которой установлен заземленный проводящий стержень аналитически обоснованной формы, образующий совместно с оболочкой второй разомкнутый отрезок неоднородной линии с погонным волновым сопротивлением W₁(h), подключенный параллельно отрезку с погонным волновым сопротивлением W(h), образованному оболочкой и подстилающей поверхностью, при этом размеры и форма внутреннего проводящего стержня определяются требованием подобия законов изменения погонных сопротивлений W(h) и W₁(h) при изменении высоты h, т.е.

Кроме того, проводящий стержень может быть выполнен в виде пустотелой оболочки с сохранением внешней формы, причем пустотелая оболочка проводящего стержня выполнена в виде витой спирали.

Кроме того, проводящий стержень может быть выполнен в виде пустотелой оболочки с сохранением внешней формы, причем пустотелая оболочка проводящего стержня выполнена в виде витой спирали, внутри которой установлен проводящий заземленный стержень аналитически обоснованной формы. При этом размеры и форма внутреннего проводящего стержня определяются требованием подобия законов изменения погонного волнового сопротивления W(h), образованного оболочкой и подстилающей поверхностью, и погонного волнового сопротивления W₁(h) отрезка неоднородной линии, образованного оболочкой и проводящим стержнем, при изменении высоты h, т.е. W₁(h)=const^*W(h).

Кроме того, проводящий стрежень может быть выполнен в виде пустотелой оболочки с сохранением внешней формы, причем пустотелая оболочка проводящего стержня выполнена в виде отдельных электрически изолированных фрагментов (ободов), а соседние фрагменты соединены между собой индуктивностями.

Кроме того, проводящий стрежень выполнен в виде пустотелой оболочки с сохранением внешней формы, причем пустотелая оболочка проводящего стержня выполнена в виде отдельных электрически изолированных фрагментов (ободов), соседние фрагменты соединены между собой индуктивностями, а внутри пустотелой оболочки размещен проводящий заземленный стержень аналитически обоснованной формы. При этом размеры и форма внутреннего проводящего стержня определяются требованием подобия законов изменения погонного волнового сопротивления W(h), образованного оболочкой и подстилающей поверхностью, и погонного волнового сопротивления W₁ (h) отрезка неоднородной линии, образованного оболочкой и проводящим стержнем, при изменении высоты h, т.е. W₁(h)=const ^*W(h).

Таким образом, сущность заявленной полезной модели заключается в создании аналитически обоснованной формы свободностоящего вертикального проводящего антенного стержня, благодаря которой в антенне обеспечивается режим бегущей волны в широком диапазоне частот.

Изобретение поясняется чертежами, на которых показано:

на фиг.1 - графики зависимости от рабочей частоты коэффициента стоячей волны напряжения (входного КСВн антенного стержня) в фидере с волновым сопротивлением 75 Ом, жила которого подключена к входному зажиму проводящего стержня, а оплетка - к подстилающей поверхности; на фиг.2 и 3 - варианты конструкции штыревых сингулярных антенн.

Штыревая сингулярная антенна содержит свободно стоящий антенный вибратор, представляющий собой проводящий антенный стержень 1, установленный вертикально над проводящей подстилающей поверхностью 2. Между нижней точкой антенного стержня 1 (его входным зажимом) и подстилающей поверхностью 2 включен высокочастотный генератор 3. Антенный стержень 1 имеет в любой точке переменное сечение в зависимости от расстояния h от подстилающей поверхности. При этом основным требованием к конструкции антенны является косинусоидальная зависимость погонного волнового сопротивления W(h), образованного антенным стержнем 1 и подстилающей поверхностью 2, в сечении на высоте h от подстилающей поверхности. Эта зависимость, в частности, должна выражаться соотношением:

где

W(h) - погонное волновое сопротивление линии, образованной антенным стержнем и подстилающей поверхностью, в сечении на высоте h;

h - расстояние от подстилающей поверхности до заданного сечения стержня;

Н₀ - максимально возможная электрическая длина стержня;

W₀ - требуемое входное сопротивление антенны.

Такой закон зависимости волнового сопротивления может быть реализован при различных формах сечения стержня - круговой, эллиптической, квадратной и т.д., однако преимущественным является использование проводящего стержня с сечением круговой формы, как наиболее технологичного в изготовлении и простого в расчетах.

При этом сечение стержня должно быть переменным по высоте, а радиус образующей стержня определяется из выражения:

где:

r(h) - радиус стержня, зависящий от расстояния h от подстилающей поверхности:

h - расстояние от подстилающей поверхности до сечения стержня с радиусом r;

W(h) - погонное волновое сопротивление линии, образованной проводящим антенным стержнем и подстилающей поверхностью, в сечении на высоте h;

- диэлектрическая проницаемость среды.

В вариантах исполнения устройства антенный стержень 1 может быть выполнен как цельнометаллическим, так и в виде пустотелой оболочки с сохранением внешней формы поверхности, что существенно снижает его вес. Толщина проводящего материала пустотелой оболочки определяется требованием механической прочности конструкции и составляет, например, порядка 0,1-0,5 мм.

Для уменьшения поперечных размеров антенного стержня 1 в варианте исполнения антенны внутри пустотелой оболочки может быть размещен заземленный проводящий стержень 4 (фиг.2б), образующий совместно с оболочкой второй разомкнутый отрезок неоднородной линии с погонным волновым сопротивлением W₁(h), подключенный параллельно отрезку с погонным волновым сопротивлением W(h), образованному оболочкой и подстилающей поверхностью. Размеры и форма внутреннего проводящего стержня 4 определяются требованием подобия законов изменения погонных сопротивлений W(h) и W₁(h) при изменении высоты h, т.е.

С целью увеличения электрической длины антенного стержня 1 его пустотелая оболочка может быть выполнена в виде витой спирали (фиг.2в). При этом расстояние между витками спирали должно составлять не более 10% от ширины витков спирали, а плотность N намотки спирали (количество витков на 1 см погонной длины) может быть задана соотношением:

где:

N - количество витков спирали на 1 см погонной длины (плотность намотки);

К - требуемый коэффициент укорочения антенного вибратора;

h - расстояние от подстилающей поверхности до сечения стержня с радиусом r;

r - радиус стержня, зависящий от расстояния h от подстилающей поверхности;

W(h) - погонное волновое сопротивление линии в сечении h, образованной проводящим стержнем и подстилающей поверхностью.

Для уменьшения поперечных и продольных размеров антенного стержня 1 в варианте его изготовления в виде витой спирали внутри оболочки также может быть размещен заземленный проводящий стержень 4, также образующий совместно с оболочкой второй разомкнутый отрезок неоднородной линии W₁(h), подключенный параллельно отрезку W(h), образованному оболочкой и подстилающей поверхностью, причем размеры и форма стержня определяются из условия выражения (3).

Для уменьшения стоимости изготовления и упрощения конструкции штыревой сингулярной антенны возможен и такой вариант исполнения антенны, при котором вертикально стоящая оболочка антенного стержня 1 разделена на несколько горизонтально расположенных фрагментов (ободов), между которыми включены индуктивности 5 подходящего номинала (фиг.3). Схема замещения и физические процессы, протекающие в такой конструкции антенного стержня, аналогичны схеме и процессам, протекающим в антенном вибраторе, выполненном в виде витой оболочки (фиг.2в). Для этого номиналы индуктивностей 5 должны соответствовать индуктивности фрагмента витой оболочки, который заменен ободом (создающим емкость на землю) и индуктивностью 5. Толщина проводящего материала ободов определяется требованием механической прочности конструкции и составляет, например, порядка 0,1-0,5 мм.

Как и в предыдущем варианте изготовления, для уменьшения поперечных и продольных размеров антенного стержня 1 внутри оболочки в виде горизонтально расположенных фрагментов (ободов) также может быть размещен заземленный проводящий стержень 4, образующий совместно с оболочкой второй разомкнутый отрезок неоднородной линии W₁(h), подключенный параллельно отрезку W(h), образованному оболочкой и подстилающей поверхностью, причем размеры и форма стержня определяются из условия выражения (3).

Для пояснения сущности полезной модели рассмотрим работу заявленной штыревой сингулярной антенны.

Основной задачей передающего антенного устройства является создание потока электромагнитной высокочастотной энергии. Условием существования потока высокочастотной энергии электромагнитного поля в пространстве является синфазность электрической и магнитной составляющих вектора Умова-Пойнтинга высокочастотного электромагнитного поля (далее У-П вектор).

В непосредственной близости от поверхности классического штыревого вибратора, в том числе и от поверхности штыревых антенных вибраторов по патентам РФ 2336613 (аналог) или 2084995 (прототип), сдвиг фазы между электрической и магнитной составляющей У-П вектора оказывается существенным и приближается к 90 градусам на низких частотах. Физически это означает, что в ближней зоне, кроме процесса транспортировки электромагнитной энергии, имеет место также и процесс раскачивания окружающего пространства без создания потока энергии, что. с точки зрения электромагнитной совместимости антенного устройства и расположенной рядом радиоаппаратуры, весьма вредно и подлежит всемерному подавлению.

Эффективность антенного устройства определяется именно его способностью создавать направленный поток электромагнитной энергии, а не способностью создавать высокую напряженность поля в ближней зоне.

Условием синфазности электрической и магнитной составляющих У-П вектора в непосредственной близости от поверхности антенного вибратора является синфазность (совпадение фаз) высокочастотных токов и напряжений на поверхности антенного вибратора. Следовательно, токи и напряжения на поверхности идеального передающего штыревой антенны (вибратора) должны быть синфазны в диапазоне рабочих частот.

Штыревая антенна над проводящей поверхностью с точки зрения теории цепей представляет собой отрезок линии с распределенными параметрами, разомкнутый на конце. Одной обкладкой этой линии является сам вибратор, другой обкладкой является подстилающая поверхность. В соответствии с теорией цепей в отрезке линии, разомкнутом на конце, может существовать только режим стоячей волны, и требуемая синфазность токов и напряжений может достигаться только в отдельных резонансных точках.

Математические вычисления и экспериментальные исследования штыревой антенны в виде вибратора постоянного диаметра над подстилающей поверхностью полностью подтверждают эти выводы. На фиг.1 представлены графики для обычной штыревой и штыревой сингулярной антенны, установленных над проводящей поверхностью. Входной КСВн проводящего стержня характеризует согласование антенны с генератором. При КСВн=1 антенна согласована идеально. При КСВн>1 согласование ухудшается вследствие возникновения отраженной волны. При КСВн<2 согласование можно считать приемлемым, поскольку мощность возникающей отраженной волны в десять раз меньше, чем мощность падающей волны.

Штриховой линией на фиг.1 изображена зависимость от частоты коэффициента стоячей волны напряжения (КСВн) в высокочастотном кабеле, оплетка которого подключена к подстилающей поверхности, а жила подключена к входу штыревой антенны постоянного диаметра (вибратор Герца). Как видно из этого графика, режим согласования с генератором (при котором КСВн близок к единице) достигается для классического вибратора только в отдельных резонансных точках.

Требование синфазности токов и напряжений на поверхности свободно стоящего штыревого антенного вибратора (на одной из обкладок разомкнутой неоднородной линии) в диапазоне рабочих частот означает, по существу, требование существования в отрезке разомкнутой линии режима бегущей волны (согласования с генератором) во всем диапазоне рабочих частот. На первый взгляд, такое требование противоречит существующему опыту.

Однако методами теории сингулярных неоднородных линий с распределенными параметрами удалось синтезировать неоднородную линию с зависимостью волнового сопротивления от электрической длины, содержащей сингулярную точку. Зависимость погонного волнового сопротивления линии W от ее расстояния h от подстилающей поверхности задается соотношением (1), а именно:

При h=H₀, 3H_0, 5H ₀ погонное волновое сопротивление линии обращается в бесконечность, то есть линия в этих точках оказывается разомкнутой.

В разомкнутом отрезке такой линии при 0hH₀ теоретически возможно существование режима бегущей волны во всем диапазоне частот. Антенный вибратор, в котором благодаря сложной, аналитически обоснованной форме штыря, реализуется требуемая зависимость волнового сопротивления от электрической длины линии, назван авторами сингулярным антенным вибратором (сингулярной штыревой антенной).

Один из вариантов исполнения сингулярной штыревой антенны представляет собой проводящий штырь кругового сечения (см. фиг.2а).

Зависимость радиуса r сингулярного вибратора от высоты h над проводящей подстилающей поверхностью может быть задана соотношением (2), а именно:

При таком законе изменения радиуса антенного вибратора от высоты сам штырь напоминает по форме вытянутую луковицу (фиг.2а).

Существование режима бегущей волны в разомкнутом на конце отрезке линии, образованной подстилающей проводящей поверхностью и штыревым сингулярным вибратором, подтверждено численно и экспериментально (сплошная линия на фиг.1). Близость параметра КСВн сингулярного вибратора к единице на частотах, начиная с 50 МГц и выше, означает, что практически вся высокочастотная мощность, подводимая от генератора к антенному сингулярному вибратору, поглощается последним.

Омические потери в теле вибратора и потери, связанные со скин-эффектом на его поверхности, характеризуются долями Ома, а входное сопротивление вибратора составляет порядка 75 Ом. Поэтому указанные потери оказываются незначительными, и практически вся поглощаемая на входе вибратора высокочастотная мощность излучается в эфир.

Следовательно, сингулярная штыревая антенна является высокоэффективной антенной, согласованной с генератором в широкой полосе частот.

Так как в линии, образованной сингулярным штырем и подстилающей поверхностью, реализуется режим бегущей волны, то токи и напряжения на поверхности сингулярного вибратора должны быть синфазны. Следовательно, синфазными должны быть и электрическая и магнитная составляющие вектора Умова-Пойнтинга электромагнитного поля вблизи поверхности вибратора. Тогда практически все поле, генерируемое сингулярным вибратором, создает поток электромагнитной энергии. При этом электромагнитное влияние сингулярной вибраторной антенны на расположенные рядом антенны должно быть намного меньше, чем у антенн-аналогов.

Как следует из полученных экспериментальных данных, при близких значениях напряженности поля в дальней зоне (в частности, на расстоянии 4000 м), то есть при близких значениях потока высокочастотной мощности от антенны, напряженность электромагнитного поля в непосредственной близости от сингулярного вибратора в 20-40 раз меньше, чем напряженность электромагнитного поля обычного антенного стержня.

Следовательно, воздействие сингулярного вибратора на окружающую аппаратуру в 20-40 раз меньше, и его электромагнитная совместимость с этой аппаратурой, соответственно, выше.

Учитывая, что высокочастотные токи, текущие в любом проводнике, обязательно вытесняются на его поверхность (так называемый скин-эффект), сингулярная штыревая антенна может выполняться не только в виде монолитного проводящего штыря переменного диаметра, но и в виде проводящей оболочки той же формы, имеющей толщину, например, порядка 0,1-1 мм, в зависимости от особенностей конструкции и требований к излучаемой мощности.

Как показывают расчеты, диаметр сингулярного вибратора, соответствующий удобному для эксплуатации входному сопротивлению 75 Ом или 50 Ом, оказывается весьма значительным (до половины его длины). Для мощной излучающей антенны длина вибратора может составлять до 15-20 м и более. Уменьшение поперечных размеров сингулярного вибратора до приемлемых величин приводит к очень резкому возрастанию его входного сопротивления, что крайне затрудняет эксплуатацию.

Для уменьшения входного сопротивления сингулярной штыревой антенны внутрь указанной пустотелой оболочки в варианте изготовления может быть помещен проводящий заземленный стержень (как показано на фиг.2б), увеличивающий емкостную составляющую погонной проводимости линии, образованной вибратором и подстилающей поверхность и, тем самым, уменьшающую его погонное сопротивление.

При этом форма выполнения проводящего заземленного стержня может быть различной, например, в виде цельнометаллического прута любого поперечного сечения, или пустотелой трубы. В любом случае использование такого технического решения (т.е. установка внутри указанной пустотелой оболочки проводящего заземленного стержня) даст положительный результат, а именно, позволит в несколько раз уменьшить диаметр сингулярного вибратора при сохранении его входного сопротивления, формы диаграммы направленности и остальных полезных свойств.

Геометрические размеры заземленного проводящего стержня, как уже отмечалось выше, могут варьироваться в широких переделах, однако проведенные расчеты и полученные экспериментальные данные показали, что наиболее оптимальным для электромагнитных характеристик антенны является, когда длина заземленного проводящего стержня соизмерима с длиной пустотелой оболочки антенного вибратора, а его диаметр составляет не более одной десятой (или 10%) внутреннего диаметра оболочки.

В то же время для получения максимального эффекта желательно, чтобы геометрические размеры и форма внутреннего проводящего стержня соответствовали условию подобия при изменении высоты h законов изменения погонного волнового сопротивления W(h), образованного оболочкой и подстилающей поверхностью, и погонного волнового сопротивления W₁(h) отрезка неоднородной линии, образованного оболочкой и проводящим стержнем. Это условие выражено формулой (3), то есть W₁(h)=const*W(h).

Как видно из фиг.1, удовлетворительное согласование сингулярного вибратора с генератором возбуждения начинается с частоты 50 МГц, которой соответствует длина волны 6 м. Учитывая, что геометрическая длина исследованного сингулярного вибратора составляла 1 м, можно утверждать, что требуемая длина сингулярного вибратора составляет не менее 1/5 длины волны колебания наименьшей рабочей частоты. Для частот в единицы мегагерц и меньших, длина согласованного сингулярного вибратора должна составлять десятки и сотни метров. Это слишком много для антенных устройств бортового базирования.

Для уменьшения линейных размеров сингулярного вибратора при сохранении его электрической длины в варианте изготовления антенны возможно выполнение оболочки сингулярного вибратора не в виде сплошной поверхности, а в виде витой спирали. При этом путь высокочастотного тока по виткам оболочки значительно удлиняется, соответственно, увеличивается и электрическая длина сингулярного вибратора без изменения его геометрической длины (фиг.2.в).

Наиболее оптимальным с точки зрения уменьшения как продольных, так и поперечных размеров сингулярного вибратора, сохраняя при этом его преимущества в согласовании с генератором и электромагнитной совместимости с рядом стоящим радио оборудованием, является такой вариант исполнения антенны, при котором внутри витой спирали размещен заземленный проводящий стержень, как показано на фиг.2.г.

Для уменьшения стоимости изготовления и упрощения конструкции антенного вибратора в виде витой спирали предлагается техническое решение, в котором вертикально стоящая оболочка сингулярного вибратора разделена на несколько горизонтально расположенных фрагментов (ободов), между которьми включены индуктивности подходящего номинала, равноценно замещающего навивку спирали на данной высоте расположения фрагмента (например, как показано на Фиг.3а). Технически такие индуктивности могут быть выполнены в виде параллельно установленных катушек с индуктивностью порядка 1 мкГн.

Схема замещения и физические процессы, протекающие в такой конструкции антенного вибратора аналогичны схеме и процессам, протекающим в антенном вибраторе, выполненном в виде витой оболочки (Фиг.2в). Недостатки такого варианта изготовления не имеют практического значения и связаны с появлением верхней границы диапазона частоты входного согласования и с уменьшением коэффициента усиления антенны на несколько децибел.

Как показали проведенные макетные исследования, заявленное техническое решение обладает высокой технологической устойчивостью. В частности, монотонное отклонение радиуса штыря от требуемого значения в пределах 10% размеров приводило к изменению внешних характеристик сингулярной антенны (коэффициента усиления антенны, диаграммы направленности, входного сопротивления) в пределах 5%. Отклонение угла наклона штыря от вертикали в пределах 10 градусов не вызывало существенных изменений характеристик сингулярной штыревой антенны.

Таким образом, использование заявленной конструкции штыревой сингулярной антенны позволяет существенно улучшить эксплуатационные и функциональные возможности штыревых антенн в непрерывном диапазоне СВ-КВ-УКВ рабочих волн за счет сокращения физических размеров антенны, улучшения входного согласования антенны с передатчиком в широкой полосе частот, повышения КПД антенны, уменьшения напряженности электромагнитного поля в ближней зоне антенны без снижения интенсивности потока электромагнитной энергии.

1. Штыревая сингулярная антенна, содержащая свободно стоящий вертикальный проводящий антенный стержень, установленный над проводящей подстилающей поверхностью, отличающаяся тем, что геометрические размеры сечения проводящего антенного стержня на высоте h выбраны таким образом, чтобы зависимость погонного волнового сопротивления W(h), образованного стержнем и подстилающей поверхностью, удовлетворяла соотношению

где W(h) - погонное волновое сопротивление линии, образованной антенным стержнем и подстилающей поверхностью, в сечении на высоте h;

h - расстояние от подстилающей поверхности до заданного сечения стержня;

Н₀ - максимально возможная электрическая длина стержня;

W₀ - требуемое входное сопротивление антенны.

2. Сингулярная антенна по п.1, отличающаяся тем, что проводящий антенный стержень выполнен с круговым сечением, переменным по высоте, а радиус поперечного сечения проводящего антенного стержня определяется из выражения:

где r(h) - радиус стержня, зависящий от расстояния h от подстилающей поверхности;

h - расстояние от подстилающей поверхности до сечения антенного стержня с радиусом r;

W(h) - погонное волновое сопротивление линии, образованной проводящим антенным стержнем и подстилающей поверхностью, в сечении на высоте h;

- диэлектрическая проницаемость среды.

3. Сингулярная антенна по п.2, отличающаяся тем, что проводящий антенный стержень выполнен в виде пустотелой оболочки с сохранением внешней формы.

4. Сингулярная антенна по п.3, отличающаяся тем, что внутри пустотелой оболочки дополнительно размещен заземленный проводящий стержень.

5. Сингулярная антенна по п.2, отличающаяся тем, что проводящий антенный стержень выполнен в виде пустотелой оболочки с сохранением внешней формы, причем пустотелая оболочка выполнена в виде витой спирали.

6. Сингулярная антенна по п.5, отличающаяся тем, что внутри пустотелой оболочки, выполненной в виде витой спирали, дополнительно размещен заземленный проводящий стержень.

7. Сингулярная антенна по п.2, отличающаяся тем, что проводящий антенный стержень выполнен в виде пустотелой оболочки с сохранением внешней формы, причем пустотелая оболочка выполнена в виде отдельных электрически изолированных фрагментов, а соседние фрагменты соединены между собой индуктивностями.

8. Сингулярная антенна по п.7, отличающаяся тем, что внутри пустотелой оболочки, выполненной в виде отдельных электрически изолированных фрагментов, соединенных между собой индуктивностями, дополнительно размещен заземленный проводящий стержень.

9. Сингулярная антенна по пп.4, 6 и 8, отличающаяся тем, что геометрические размеры и форма внутреннего проводящего стержня определяются из условия подобия законов изменения погонного волнового сопротивления W(h), образованного оболочкой и подстилающей поверхностью, и погонного волнового сопротивления W₁(h) отрезка неоднородной линии, образованного оболочкой и проводящим стержнем, при изменении высоты h.

10. Штыревая сингулярная антенна, содержащая свободно стоящий вертикальный проводящий антенный стержень, установленный над проводящей подстилающей поверхностью, отличающаяся тем, что геометрические размеры сечения проводящего антенного стержня на высоте h выбраны таким образом, чтобы зависимость погонного волнового сопротивления W(h), образованного стержнем и подстилающей поверхностью, удовлетворяла соотношению

где W(h) - погонное волновое сопротивление линии, образованной антенным стержнем и подстилающей поверхностью, в сечении на высоте h;

h - расстояние от подстилающей поверхности до заданного сечения стержня;

Н₀ - максимально возможная электрическая длина стержня;

W₀ - требуемое входное сопротивление антенны,

а проводящий антенный стержень выполнен в виде пустотелой оболочки с сохранением заданной внешней формы.

11. Сингулярная антенна по п.10, отличающаяся тем, что внутри пустотелой оболочки дополнительно размещен заземленный проводящий стержень.

12. Сингулярная антенна по п.10, отличающаяся тем, что пустотелая оболочка проводящего антенного стержня выполнена в виде витой спирали.

13. Сингулярная антенна по п.12, отличающаяся тем, что внутри пустотелой оболочки, выполненной в виде витой спирали, дополнительно размещен заземленный проводящий стержень.

14. Сингулярная антенна по п.10, отличающаяся тем, что пустотелая оболочка выполнена в виде отдельных электрически изолированных фрагментов, а соседние фрагменты соединены между собой индуктивностями.

15. Сингулярная антенна по п.14, отличающаяся тем, что внутри пустотелой оболочки, выполненной в виде отдельных электрически изолированных фрагментов, соединенных между собой индуктивностями, дополнительно размещен заземленный проводящий стержень.

16. Сингулярная антенна по пп.11, 13 и 15, отличающаяся тем, что геометрические размеры и форма внутреннего проводящего стержня определяются из условия подобия законов изменения погонного волнового сопротивления W(h), образованного оболочкой и подстилающей поверхностью, и погонного волнового сопротивления W₁(h) отрезка неоднородной линии, образованного оболочкой и проводящим стержнем, при изменении высоты h.