способ увеличения действующей высоты малогабаритного антенного устройства и малогабаритное антенное устройство для осуществления способа

Формула изобретения

1. Способ увеличения действующей высоты малогабаритного антенного устройства, включающий этапы, при которых формируют антенный элемент в виде колебательного контура из последовательно соединенных реактивного элемента и катушки индуктивности, величину индуктивности которой выбирают из условия обеспечения резонанса колебательного контура на заданной частоте сигнала, при этом реактивный элемент обеспечивают в виде конденсатора с парой металлических обкладок, пространство между которыми заполнено материалом, содержащим частицы проводящего вещества, разделенные диэлектрическим наполнителем, расстояние между обкладками конденсатора выбирают меньше величины /4, где - длина волны сигналов, действующих на антенное устройство, а выбор проводящего вещества осуществляют из условий

(²/x_o)10^-111,

(1/)10¹⁰,

где - частота сигнала;

- удельное электрическое сопротивление проводящего вещества (Омм);

, - соответственно относительные электрическая и магнитная проницаемости проводящего вещества;

x_о - наименьший из размеров поперечного сечения частицы проводящего вещества, перпендикулярный направлению вектора действующего электрического поля (см),

подают на колебательный контур сигнал, вызывающий контурное напряжение на реактивном элементе и электрическое поле контурного напряжения в пространстве, окружающем реактивный элемент, при этом в режиме передачи сигнала обеспечивают аккумулирование энергии подаваемого сигнала в материале реактивного элемента за счет электродинамического взаимодействия этого материала и электромагнитного поля сигнала с последующим преобразованием аккумулированной энергии в энергию излучаемого электромагнитного поля в ближней зоне антенного устройства и формируют поток излучения электромагнитной мощности, а в режиме приема сигнала обеспечивают поглощение потока энергии внешнего электромагнитного поля за счет его взаимодействия с электрическим полем контурного напряжения в ближней зоне антенного устройства с последующим аккумулированием поступающей энергии в материале реактивного элемента и ее преобразованием в энергию принимаемого сигнала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что площадь обкладок конденсатора определяют из условия обеспечения необходимой величины электрической емкости при заданном значении ширины полосы пропускания частот антенного устройства с учетом известных значений частоты сигнала и расстояния между обкладками конденсатора.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что пространственную ориентацию антенного устройства определяют таким образом, чтобы вектор поляризации электрического поля излучаемых или принимаемых электромагнитных волн был перпендикулярен плоскостям обкладок конденсатора.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве материала для заполнения пространства между обкладками конденсатора выбирают высокочастотный феррит.

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве материала для заполнения пространства между обкладками конденсатора выбирают жидкость, содержащую ионы.

6. Малогабаритное антенное устройство, содержащее антенный элемент в виде колебательного контура, включающего в себя реактивный элемент, выполненный в виде конденсатора с парой металлических обкладок, пространство между которыми заполнено материалом, содержащим частицы проводящего вещества, разделенные диэлектрическим наполнителем, при этом расстояние между обкладками конденсатора выбрано меньшим величины /4, где - длина волны сигналов, действующих на антенное устройство, а проводящее вещество выбрано из условий

(²/x_o)10^-111,

(1/)10¹⁰,

где - частота сигнала;

- удельное электрическое сопротивление проводящего вещества (Омм);

, - соответственно относительные электрическая и магнитная проницаемости проводящего вещества;

x_о - наименьший из размеров поперечного сечения частицы проводящего вещества, перпендикулярный направлению вектора действующего электрического поля (см),

катушку индуктивности и фидер, при этом конденсатор, катушка индуктивности и фидер соединены последовательно.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что пространственная ориентация антенного устройства определена таким образом, что вектор поляризации электрического поля излучаемых и принимаемых электромагнитных волн перпендикулярен плоскостям обкладок конденсатора.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что площадь обкладок конденсатора определяется из условия обеспечения необходимой величины электрической емкости при заданном значении ширины полосы пропускания частот антенного устройства с учетом известных значений частоты сигнала и расстояния между обкладками конденсатора.

9. Устройство по любому из пп.6-8, отличающееся тем, что дополнительно содержит вторую катушку индуктивности, при этом первые выводы обеих катушек индуктивности подсоединены к фидеру, а вторые выводы соединены с соответствующими обкладками конденсатора.

10. Устройство по любому из пп.6-8, отличающееся тем, что дополнительно содержит второй реактивный элемент, выполненный в виде конденсатора, идентичный первому реактивному элементу, причем первые обкладки первого и второго конденсатора соединены с фидером, а вторые обкладки конденсаторов соединены с соответствующими выводами катушки индуктивности.

11. Устройство по любому из пп.6-10, отличающееся тем, что в качестве материала для заполнения пространства между обкладками конденсатора выбран высокочастотный феррит.

12. Устройство по любому из пп.6-10, отличающееся тем, что в качестве материала для заполнения пространства между обкладками конденсатора выбрана жидкость, содержащая ионы.

13. Устройство по любому из пп.6-12, отличающееся тем, что в качестве фидера использован коаксиальный кабель.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиотехнике, более конкретно к волновым системам, и может быть использовано при создании малогабаритных антенных устройств различного назначения.

Излучение и поглощение энергии электромагнитных волн при использовании известных антенных устройств может быть осуществлено оптимальным образом, когда размеры антенны равны или кратны четверти длины волны излучаемого или принимаемого сигнала. В практике создания антенных устройств часто возникает необходимость в уменьшении габаритов антенны, особенно при работе на низких частотах, и в обеспечении направленного действия антенны.

Эти задачи решаются известными методами удлинения антенн и построения сложных антенных систем направленного действия.

Метод удлинения антенн рассмотрен ниже на примере классического вибратора 1, выполняющего роль антенны длиной l, ориентированной по оси z (фиг. 1а). Генератор 2 гармонических колебаний обеспечивает накачку тока I(t) в антенну. Распределение тока по длине антенны соответствует I(z). Такая антенна характеризуется параметром h - действующей высоты антенны:

h = (/(z)dz)/I_o, (1)

где I₀ - действующее значение тока у основания антенны.

При l = /4, где - длина волны излучаемого сигнала, из (1) следует:

h = (2)l = /2 = h_опт, (2)

т. е. действующая высота антенны h_опт в оптимальном случае составляет 0,637 от реальной высоты l.

На фиг.1б показано пространственное распределение электрического и магнитного полей вибратора 1.

При l</4 (укороченная антенна) h<h, причем последнее неравенство сохраняется и при использовании методов искусственного удлинения антенн, иллюстрируемого фиг. 2а, б, в, где представлены соответственно: антенна 3 Т-типа, антенна 4 Г-типа, антенна 5 с добавочной индуктивностью L у основания. Такие приемы удлинения антенн позволяют создать оптимальное распределение тока I(z) по длине антенны. Что касается действующей высоты h, то для антенн 3 и 4 Т- и Г-типа при l</4 h=l, т.е. высоте самой антенны, а для антенны 5 с добавочной индуктивностью L (фиг.2в) h=l/2, т.е. действующая высота равна половине высоты антенны.

Известно, что мощность излучения дипольных антенн определяется соотношением

P_изл= (kh²I²₀)/², (3)

где k1600. Величина (kh²)/²- действующее сопротивление r_д антенны. Сопротивление излучения r_изл=2r_д. При условии l = /4, т.е. h=h_опт, r_д40 Ом.

Если l</4, то, как видно из выражения (3), сопротивление излучения резко падает (r_дh²). Так, например, при h=(1/3)h_oпт сопротивление r_д уменьшается почти в десять раз. В случае, когда l4, r_изл ничтожно мало, и, следовательно, чтобы обеспечить заданное значение Р_изл, ток I₀ должен быть очень большим, что вызывает затруднения при практической реализации. Кроме того, значительное отличие величины r_д от оптимального значения резко уменьшает возможность согласования антенны с фидерным трактом.

Направленное действие антенн, как известно, обеспечивается за счет соответствующего расположения в пространстве нескольких антенных элементов. При этом оптимальное значение Р_изл достигается при расстоянии между антенными элементами, кратном величине /4. Такое расположение обеспечивает также необходимый сдвиг фаз колебаний в отдельных антенных элементах (вибраторах), если в их пространственной комбинации есть пассивные антенные элементы. На фиг. 3а приведена схема расположения в плоскости (х, z) симметричного полуволнового вибратора 6 и рефлектора 7, а на фиг.2б - диаграмма направленности такой антенной системы в плоскости (х, у).

Таким образом, уменьшение телесного угла распространения излучаемой (или принимаемой) антенной электромагнитной энергии (коэффициент усиления антенны) связано с увеличением размеров антенной системы, что зачастую приводит к серьезным техническим проблемам при конструировании аппаратуры систем связи, особенно при необходимости использования сигналов в относительно длинноволновом диапазоне.

Таким образом, задачей изобретения является создание антенного устройства, не имеющего указанных выше недостатков известных антенн, обеспечивающего возможность увеличения действующей высоты антенны при малых габаритах устройства и уменьшения размеров в направлении распространения волн для антенн направленного действия.

Более конкретно, задачей изобретения является создание такого антенного устройства, в котором характер осуществляемых в нем электродинамических процессов в конечном итоге приводил бы к увеличению действующего сопротивления, т.е. действующей высоты, и, кроме того, характер и пространственно-временное распределение электромагнитного поля в данном антенном устройстве обеспечили бы направленность распространения излучаемых волн при электрической взаимосвязи антенного устройства с пассивными вибраторами на расстояниях, значительно меньших /4.

Достигаемым техническим результатом является значительное увеличение сопротивления излучения антенного устройства и, как следствие, повышение действующей высоты антенны при размерах l>/4 и l/4, возможность создания антенного устройства направленного действия с размерами в направлении преимущественного распространения излучаемых и поглощаемых электромагнитных волн, много меньшими четверти длины волны.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе увеличения действующей высоты малогабаритного антенного устройства, в соответствии с изобретением, формируют антенный элемент в виде колебательного контура из последовательно соединенных реактивного элемента и катушки индуктивности, величину индуктивности которой выбирают из условия обеспечения резонанса колебательного контура на заданной частоте сигнала, при этом реактивный элемент обеспечивают в виде конденсатора с парой металлических обкладок, пространство между которыми заполнено материалом, содержащим частицы проводящего вещества, разделенные диэлектрическим наполнителем, расстояние между обкладками конденсатора выбирают меньше величины /4, где - длина волны сигналов, действующих на антенное устройство, а выбор проводящего вещества осуществляют из условий

(²/x_o)10^-111,

(1/)10¹⁰,

где - частота действующего сигнала, - удельное электрическое сопротивление проводящего вещества (Омм), , - соответственно относительные электрическая и магнитная проницаемости среды, x₀ - наименьший из размеров поперечного сечения частицы проводящего вещества, перпендикулярный направлению вектора действующего электрического поля, (см), подают на колебательный контур сигнал, вызывающий контурное напряжение на реактивном элементе и электрическое поле контурного напряжения в пространстве, окружающем реактивный элемент, при этом в режиме передачи сигнала обеспечивают аккумулирование энергии подаваемого сигнала в материале реактивного элемента за счет электродинамического взаимодействия этого материала и электромагнитного поля действующего сигнала с последующим преобразованием аккумулированной энергии в энергию излучаемого электромагнитного поля в ближней зоне антенного устройства и формируют поток излучения электромагнитной мощности, а в режиме приема сигнала обеспечивают поглощение потока энергии внешнего электромагнитного поля за счет его взаимодействия с электрическим полем контурного напряжения в ближней зоне антенного устройства с последующим аккумулированием поступающей энергии в материале реактивного элемента и ее преобразование в энергию принимаемого сигнала.

При этом площадь обкладок конденсатора определяют из условия обеспечения необходимой величины электрической емкости при заданном значении ширины полосы пропускания частот антенного устройства с учетом известных значений частоты действующего сигнала и расстояния между обкладками конденсатора, причем пространственную ориентацию антенного устройства определяют таким образом, чтобы вектор поляризации электрического поля излучаемых или принимаемых электромагнитных волн был перпендикулярен плоскостям обкладок конденсатора.

В качестве материала для заполнения пространства между обкладками конденсатора предпочтительно выбирают высокочастотный феррит или жидкость, содержащую ионы.

Указанный технический результат достигается также в малогабаритном антенном устройстве, предназначенном для осуществления вышеуказанного способа, содержащем антенный элемент в виде колебательного контура, включающего в себя реактивный элемент, выполненный в виде конденсатора, как указано выше, и катушку индуктивности, а также фидер, при этом конденсатор, катушка индуктивности и фидер соединены последовательно.

Устройство может дополнительно содержать вторую катушку индуктивности, при этом первые выводы обеих катушек индуктивности подсоединены к фидеру, а вторые выводы соединены с соответствующими обкладками конденсатора.

Как вариант, устройство может дополнительно содержать второй реактивный элемент, выполненный в виде конденсатора, идентичного первому реактивному элементу, причем первые обкладки первого и второго конденсаторов соединены с фидером, вторые обкладки конденсаторов соединены с соответствующими выводами катушки индуктивности, при этом в качестве фидера используется коаксиальный кабель.

При создании изобретения автор исходил из того, что указанная выше задача в принципе может быть решена только при использовании антенных элементов, у которых электродинамические процессы в их внутренней структуре обеспечивали бы проявление эффективных электродвижущих сил (ЭДС), совпадающих или действующих в противофазе с током, проходящим через этот элемент. Такое действие указанной ЭДС для протяженного элемента длиной l приводит либо к дополнительному отбору энергии у генератора, создающего ток в данном элементе, либо к увеличению значения поглощаемой энергии из окружающего пространства. Другими словами, данный электродинамический процесс эквивалентен увеличению сопротивления излучения r_изл антенны длиной l при l</4 или l/4.

Таким образом, автором было установлено, что увеличение мощности электромагнитных колебаний (сигналов), излучаемых (или поглощаемых) протяженным в пространстве элементом длины l, обеспечивается при наличии действия в нем электродвижущих сил, обусловленных взаимосвязью параметров внутренней материальной структуры самого элемента и электромагнитных полей сигналов внешних источников. Следствием такого электродинамического процесса является увеличение сопротивления излучения r_изл антенны при l</4 или l/4.

В результате теоретических исследований и экспериментов автором было установлено, что в проводящих телах при воздействии на них внешних электромагнитных полей, если выполняется условие /_отн, где - удельная проводимость проводника, выраженная в Гауссовой системе единиц, - частота колебаний указанных волн, _отн - относительная электрическая проницаемость среды, возникает эффективная ЭДС взаимосвязи поля и среды U^~, выражение для которой имеет вид

U^~ = (q/²x_o)U/t, (4)

где q - размерный коэффициент, , - соответственно электрическая и магнитная проницаемости среды (в системе СИ = _отнo; = _отнo, где _отн, _отн - относительные электрическая и магнитная проницаемость среды, _o, _o - электрическая и магнитная постоянные), - удельная проводимость проводника, x₀ - наименьший из размеров поперечного сечения проводящего элемента, перпендикулярный направлению вектора действующего на проводник электрического поля.

Анализируя выражение (4), можно прийти к выводу, каким должен быть элемент волновой системы, решающий поставленную задачу. Выражение (4) показывает, что эффективное проявление U^~ тем выше, чем большими будут значения и материала данного элемента и чем меньшим будет значение его удельной проводимости . Зависимость U^~ (1/x₀) устанавливает факт пространственной обособленности данного элемента от других аналогичных элементов по направлениям вектора Пойнтинга S= [ЕН] . Кроме того, такой элемент должен обеспечивать возможность прохождения тока I(t) за счет действия генератора электрических колебаний.

Было найдено, что для выполнения указанных требований в антенное устройство должен быть введен элемент из материала с мелкозернистой структурой, параметры зерна которой удовлетворяют условиям, определяемым выражением (4), и сами зерна с размерами порядка x₀ разделены диэлектрическим материалом, т. е. указанный элемент представляет собой по существу конденсатор, т.е. реактивный элемент цепи, между металлическими обкладками которого находится упомянутый материал с мелкозернистой структурой, а сами обкладки выполняют одновременно роль токосъемников.

Изобретение поясняется на примерах его осуществления, иллюстрируемых чертежами, на которых представлено следующее:

фиг. la - вертикальная прямолинейная антенна, известная из предшествующего уровня техники, и распределение тока в антенне;

фиг.1б - пространственное распределение полей антенны по фиг.1а;

фиг. 2а, б, в - варианты антенн, в которых реализованы известные методы удлинения антенн при l</4;

фиг.3а - известная антенна с направленной характеристикой излучения;

фиг.3б - диаграмма направленности антенны по фиг.3а;

фиг. 4а, б, в - варианты выполнения реактивного элемента, являющегося источником эффективной ЭДС U^~, соответствующего изобретению;

фиг. 5а, б, в, г - варианты выполнения антенных устройств, соответствующих изобретению;

фиг. 6 - варианты выполнения антенных устройств направленного действия, соответствующих изобретению;

фиг.7 - диаграммы направленности антенных устройств по фиг.6.

На фиг. 4а, б, в представлены примеры возможных вариантов осуществления реактивного элемента 8, источника эффективной ЭДС U^~. Как показано на фиг. 4а, б, в, реактивный элемент 8 по существу представляет собой электрический конденсатор с диэлектрическим наполнителем 9, связывающим бесконтактным образом зерна 10 из проводящего материала с линейными размерами порядка x₀ в некотором объеме V=lS, где l - длина, S - площадь основания геометрической фигуры объема V. На торцевых поверхностях элемента 8 на расстоянии l расположены металлические пластины-обкладки 11 с площадью S. В качестве материалов, состоящих из диэлектрического наполнителя 9, связывающего зерна 10 из проводящего материала, могут быть использованы различные типы высокочастотных ферритов или жидкие растворы, в которых связующим диэлектриком служит жидкость, а ионы растворенных веществ играют роль проводящих частиц. Такая структура удовлетворительно работает при соблюдении условия l/10²Омм.

На фиг. 5а, б, в, г представлены варианты антенных устройств, соответствующих изобретению. Согласно фиг.5а, реактивный элемент 8 включен последовательно с индуктивностью 12, образуя колебательный контур, подключенный к фидеру 13. На фиг.5б, 5в показан такой же колебательный контур в варианте симметричного включения, причем в варианте по фиг.5б использованы две одинаковые индуктивности 12, 12", а в варианте по фиг.5в - два реактивных элемента 8, 8". На фиг.5г показан вариант несимметричного контура с индуктивностью 12, вынесенной из зоны действия поля реактивного элемента 8.

Как показано на фиг.5а, реактивный элемент 8 в качестве конденсатора с емкостью С включен в последовательный контур, содержащий, кроме реактивного элемента 8, индуктивность L, обозначенную ссылочной позицией 12. Размер l реактивного элемента 8 ориентирован по оси z. Контур CL настроен в резонанс с частотой сигнала U(t), подаваемого по фидеру 13, и по последовательной цепи С, L протекает контурный ток I_к(t). Контурное напряжение U_к(t), развиваемое на реактивном элементе 8, и контурный ток I_к(t) на резонансной частоте сдвинуты по фазе на 90^o. В то же время, как следует из выражения (4), эффективная ЭДС U^~(t) также сдвинута по фазе на 90^o по отношению к U_к(t) и действует навстречу току I_к(t) (эффект аккумулирования). Результатом этого является увеличение сопротивления последовательного контура CL, т. е. нагрузки z_н фидера 13. Произведение U^~(t)(I_к(t)=P^~(t) определяет мощность, передаваемую фидером 13 в реактивный элемент 8 контура CL.

Очевидно, что ток I_к(t) в условиях обычного контура, в силу разнонаправленности его протекания в элементах С и L, в отличие от тока I(z) в классическом вибраторе (см. фиг.1б), не создает магнитное поле в плоскости (х, у), охватывающее весь контур. Однако возникновение эффективной ЭДС U^~(t), т. е. поля E_z=E^~=U^~(t)/l в реактивном элементе 8 приводит к возникновению охватывающего контур CL в плоскости (х, у) магнитного поля ^~ _эф согласно уравнениям Максвелла:

rotH^~_эф= E^~/t. (5)

Из выражения (5) следует, что по временной оси фаза Н^~ _эф(t) совпадает с фазой напряжения U_к(t), т. е. поля Е_к(t) уже в ближней зоне пространства, окружающего контур CL, т.е. div[E_кН^~ _эф] за период колебаний I_к(t) отлична от нуля и, следовательно, отлична от нуля мощность, излучаемая контуром CL как антенной, определяемая следующим соотношением:

P_изл= _vdiv[E_кH^~_эф] = [E_кH^~_эф]ds, (6)

где s - поверхность, охватывающая излучающий контур CL,

Р_изл=r_дI_o ² - мощность, излучаемая антенным устройством.

Таким образом, при размерах реактивного элемента l</4 и l/4 возникновение эффективной ЭДС U^~(t) приводит к увеличению величины r_д и, следовательно, повышает эффективную действующую высоту антенного устройства, включающего в себя реактивный элемент 8.

Кроме того, следствием выполнения реактивного элемента в соответствии с изобретением, как указано выше, является то, что формирование потока излучения div[E_кН^~ _эф] в ближней зоне контура CL, т.е. реактивного элемента 8, дает возможность получить направленное излучение такого антенного устройства без значительного увеличения его размеров в направлении максимума излучаемой мощности. Это возможно, поскольку пространственное распределение поля Е_к определяется геометрией контура CL.

На фиг.6а, б, в показаны варианты антенных устройств, содержащих реактивный элемент 8 и имеющих диаграммы направленности, отличные от круговой.

На фиг. 6а показано антенное устройство, выполненное в виде колебательного контура в варианте симметричного включения (см. фиг.5в), содержащее два реактивных элемента 8, 8", причем индуктивность L может быть выполнена в виде рамки 14 с размерами порядка 0,3 /4. ЭДС самоиндукции L dI/dt создает электрическое поле E_l, направленное против действия поля Е_к, поэтому вектор Пойнтинга [ЕН] в направлении оси (-у) ослаблен. Диаграмма направленности такого антенного устройства представлена на фиг.7а.

На фиг.6б показано антенное устройство, содержащее колебательный контур, включающий реактивный элемент 8 в качестве емкости С и индуктивности 12, 12", подключенный к выходу коаксиального фидера, и дополнительный вибратор 15 длиной l_отр/4, подключенный к внешнему проводнику (оплетке) коаксиального фидера и расположенный на расстоянии a0,1/4 от реактивного элемента 8. В отличие от несимметричного включения дополнительного вибратора 15 в варианте по фиг.6б, вариант антенного устройства, представленного на фиг.6в, содержит симметрично включенный вибратор 15 длиной l_отр/2. Формирование потока [ЕН] в этом сложном связанном контуре, в котором вибратор 15 действует как составная часть контура, происходит неравномерно по оси у как в несимметричном (фиг. 6б), так и в симметричном (фиг.6в) варианте включения вибратора 15. Диаграммы направленности антенных устройств по фиг.6б и 6в представлены соответственно на фиг.7б и 7в.

Антенные устройства, выполненные в соответствии с изобретением и содержащие средства для формирования направленного излучения, позволяют получить коэффициент стоячей волны (КСВ) порядка 1,1-1,2 при значениях длины l реактивного элемента 8 порядка 0,1/4. Дополнительным преимуществом данных антенных устройств является то, что в них происходит автоматическое согласование контура CL как нагрузки с волновым сопротивлением фидера 13.

Полоса пропускаемых частот антенных устройств, соответствующих изобретению, определяется выбором величины емкости С реактивного элемента 8 путем изменения его размеров.

Антенные устройства, выполненные в соответствии с изобретением, могут работать с фидером в виде коаксиального кабеля без применения мер по симметрированию подключения антенны к коаксиальному кабелю.

Варианты антенных устройств, соответствующих изобретению, могут найти широкое применение при проектировании радиотехнических устройств различного назначения в системах связи, радиолокации и т.д. Так, например, вариант заявленного антенного устройства, показанный на фиг.6б, может быть использован в радиотелефонах мобильных систем связи, в которых обеспечивается защита пользователя от опасного уровня мощности передаваемого сигнала (см. фиг.7б).

Экспериментальные конструкции предлагаемых антенных устройств были испытаны в диапазоне рабочих частот от 10 МГц до 1,5 ГГц как в режиме передачи, так и в режиме приема сигналов. В качестве материала реактивного элемента использовались промышленные образцы высокочастотных ферритов и различные водные растворы. Полученные результаты соответствуют приведенным выше техническим данным антенных устройств, соответствующих изобретению.