ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве антенны для излучения высокочастотного электромагнитного поля в диапазонах от УКВ до СДВ.

По определению «Широкополосная антенна - антенна, электрические характеристики которой диаграмма направленности, входное сопротивление, поляризационные свойства мало меняются при изменении частоты колебаний. Позволяет также без перестройки работать при переходе с одной частоты на другую». ФИЗИЧЕСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ (dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/5229/широкополосная антенна).

Известны широкополосные антенны: Сверхширокополосная приемопередающая антенна, Патент РФ №2335834 от 10.10.2008. Сверхширокополосный излучающий элемент с коаксиальным входом и антенная решетка, содержащая такой излучающий элемент, Патент РФ №115569 от 27.04.2012, Broadband transmission line coupled antenna, Патент US №4970524 A от 13.11.1990.

Недостатком известных аналогов широкополосных антенн является то, что их входное сопротивление не остается постоянным в диапазоне рабочих частот. Оно меняется, но в меньшей степени, чем у антенн, не являющихся широкополосными. Это связано с тем, что излучающие элементы антенн представляют собой проводники различной формы и размеров, имеющие индуктивные и емкостные характеристики, комплексные сопротивления которых зависят от номинала рабочей частоты. Поддержание постоянного входного сопротивления антенн в широкой полосе рабочих частот без использования перестраиваемых согласующих устройств, чрезвычайно сложная конструкторская задача, которая до настоящего времени не решена.

Целью настоящего изобретения является обеспечение постоянства и независимости подводимой к антенне энергии высокочастотного сигнала от входного сопротивления антенны в широкой полосе рабочих частот.

Поставленная цель достигается тем, что широкополосная антенна, состоящая из двух полых цилиндров и выводящих кабелей, при этом на стенках этих цилиндров закреплены солнечные батареи, отстоящих друг от друга на расстояние l, определяемое из условия l<<r, l<<λ, где r - расстояние до точки приема, λ - длина волны максимальной рабочей частоты.

Блок-схема антенны приведена на Фиг. 1. Обозначения принятые на Фиг. 1:

1 - полые цилиндры, стенки которых представляют собой солнечные батареи;

2 - выводящие кабели - световоды.

Работа широкополосной антенны осуществляется следующим образом.

Лазерные излучения, промодулированные высокочастотным сигналом, по двум кабелям 2 - световодам подводятся к двум цилиндрам 1, по одному к каждому, при этом высокочастотные модулирующие колебания подводимые к разным цилиндрам должны быть в противофазе. Световое модулированное воздействие на солнечные батареи вызовет появление на их противоположных сторонах электрические заряды, величина которых будет изменяться по закону изменения интенсивности светового потока. Если принять первый модулирующий сигнал равным u₁=U_msinωt, то второй должен быть u₂=U_msin(ωt+π)=-U_msinωt. В этом случае величины зарядов на цилиндрах 1 будут изменяться, соответственно Q₁=Q_msinωt и Q₂=Q_msin(ωt+π). Поскольку электрический заряд связан с электрической индукцией D, Q=SD, где S - площадь, занимаемая электрическими зарядами Q₁ и Q₂, то величина D также будет меняться по гармоническому закону. В результате появляется ток смещения, плотность тока которого определяется выражением: (см. Калашников С.Г. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО. М.: Наука, 1977, стр. 287).

На фиг. 2 представлены графики изменений сигналов модулирующих световые потоки лазеров, направляемых на солнечные батареи и график изменения напряженности электрической составляющей излучаемого электромагнитного поля. Противофазное возбуждение верхнего и нижнего цилиндров меняет каждый полупериод соотношение уровней зарядов в нижнем и верхнем цилиндрах, что меняет направление вектора напряженности электрической составляющей поля Е каждые полпериода на противоположный.

Напряженность электрической составляющей, возбуждаемого таким образом электромагнитного поля, определяется аналитическим выражением (Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: ЛИБРОКОМ, 2014, стр. 325, 326):

где: ; i - мнимая единица; ; r₀, - орты векторов r и в сферической системе координат, r - расстояние до точки приема.

Изменение рабочей частоты излучаемого сигнала при работе на рассмотренную выше антенну не отражается на работе модулятора светового потока лазерного генератора, что подтверждает получение технического результата, заявленного в цели предполагаемого изобретения - постоянства входных параметров антенны и как следствие ее широкополосность. Реакцией на изменение интенсивности облучения является изменение величин электрических зарядов и, как следствие, изменение тока смещения и соответственно напряженности излучаемого электромагнитного поля. Число отдельных солнечных батареек в горизонтальных и вертикальных рядах антенны определяется требованиями к уровню излучаемого сигнала.

Верхняя частота рабочего диапазона антенны ограничена условием l<<λ, а нижняя частота рабочего диапазона ограничена условием r≥0,5λ. Последнее объясняется тем, что при расстояниях менее 0,5λ напряженности электрического поля Е и магнитного поля Н сдвинуты по фазе на 90° и в результате комплексный поток энергии, характеризуемый вектором Пойнтинга , равен нулю. (Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: ЛИБРОКОМ, 2014, стр. 123, 326-328). С учетом указанных условий верхняя частота определяется соотношением , (с - скорость сета; l - минимальное расстояние между цилиндрами с солнечными батареями), нижняя частота определяется соотношением

На фиг. 3 представлены графики изменений верхних и нижних частот рабочего диапазона при изменении величин r и l. Обозначения, принятые на фиг. 3 следующие: - минимальная частота рабочего диапазона, кГц; , - максимальные частоты рабочего диапазона (кГц) при l (м.) равных 10^-2, 10^-1 и 1,0 соответственно. Анализ графиков, приведенных на фиг. 3, подтверждает широкополосные свойства антенны, характеризуемые разностью максимальных и минимальной значения частот при различных расстояниях r от антенны и различных величинах зазора l между двумя элементами антенны с солнечными батареями с противофазным питанием.

Принципиальным отличием предложенной антенны от существующих является то, что все солнечные батареи, покрывающие поверхность предлагаемой антенны, в каждый фиксированный момент времени имеют одинаковый электрический заряд, изменяющийся синхронно с изменением модулирующего сигнала, в то время как существующие антенны имеют единственную точку подключения высокочастотного сигнала и заряд в каждой точке антенны различен и соответствует распределению тока в антенне (максимален в точке подключения фидера и минимален на краях излучающих элементов антенны). По этой причине с изменением частоты при линейных размерах проводника соизмеримых с длиной волны рабочей частоты на всех участках проводника антенны могут протекать разные по уровням и направлениям токи проводимости. Как следствие, при превышении геометрических размеров антенны половины длины волны рабочей частоты, часть токов проводимости будет снижать интенсивность излучаемого электромагнитного поля. Фактор соотношения геометрических размеров проводящих поверхностей существующих антенн и длины волны рабочей частоты является одним из самых существенных, влияющих на их широкополосность и входное сопротивление. В предлагаемой антенне влияние геометрических размеров антенны относительно длины волны рабочей частоты существенно снижено из-за принципиально иного подхода к излучающим элементам - все они одновременно воспроизводят мгновенный фазовый потенциал высокочастотного сигнала, поскольку все элементы солнечных батарей возбуждаются синфазно модулированным световым потоком.