Результат интеллектуальной деятельности: АКТИВНОЕ ПЕРЕДАЮЩЕЕ ШИРОКОПОЛОСНОЕ АНТЕННОЕ УСТРОЙСТВО СВ-ДИАПАЗОНА

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для излучения радиоволн средневолнового (СВ) диапазона.

Известны широкополосные антенны, например: Патент РФ №2101812 от 10.01.1998; Патент РФ №2523959 от 27.07.2014.

Общим недостатком всех известных широкополосных антенн СВ диапазонов является использование перестраиваемых элементов согласования входных сопротивлений антенн, изменение в больших пределах коэффициента отражения от антенны в диапазоне рабочих частот.

Наиболее близким по технической сущности является устройство, принцип построения которого изложен в «Способе возбуждения электромагнитных волн», Патент №2622620 от 16.06.2017 (прототип). Данный способ реализуется при разбиении гармонического сигнала на N импульсов прямоугольной формы одинаковой амплитуды, сумма которых воспроизводит гармонический сигнал, причем каждый импульс формируется одним из N транзисторов, работающих в ключевом режиме.

Недостаток прототипа - отсутствие конкретных значений величин элементов излучателей для реализации предложенного способа в заданном диапазоне рабочих частот.

Цель изобретения: определение конкретных значений размеров излучателей для реализации передающего широкополосного антенного устройства СВ диапазона.

Поставленная цель достигается тем, что активное передающее широкополосное антенное устройство средневолнового диапазона, использующее способ возбуждения электромагнитных волн, при котором каждый период гармонического колебания разбивается на N импульсов прямоугольной формы одинаковой амплитуды, сумма которых воспроизводит гармонический сигнал, причем каждый импульс формируется одним из N активных элементов, работающих в ключевом режиме, при этом число импульсов прямоугольной формы и число активных элементов принято равным 200, каждый активный элемент содержит вертикально поставленный круглый медный цилиндр - излучатель длиной 1 метр, внешним диаметром 0,04 метра, внутренним диаметром 0,02 метра, последовательно с излучателем включен резистор номиналом 10 Ом, нижний конец излучателя заземлен, а на верхнем конце закреплен активный прибор, все излучатели размещены на расстоянии одного метра друг от друга на окружности длиной 200 метров, радиусом 31,83 метра.

На Фиг. 1 схематично представлено размещение элементов широкополосного антенного устройства на местности (вид сверху).

Обозначения, принятые на Фиг. 1:

1 - излучатель - медный цилиндр длиной 1 метр с внешним радиусом 0,02 М и внутренним радиусом 0,01М с активным прибором - транзистором, закрепленным в верхней части каждого излучателя;

2 - фидер, соединяющий цепями питания и управления включением технический блок, размещенный в центре площадки, с излучателями и с активным прибором;

3 - технический блок - содержит блок питания активных приборов, микропроцессор, формирующий команды включения и выключения каждого из активных приборов.

Следует отметить, что выбранное число 200 активных элементов и соответственно 200 активных излучателей обусловлено тем, что, при принятом способе излучения разбиение каждого периода гармонического колебания не менее чем на 200 уровней, линейность усиления усилителя обеспечивает выполнение требования к усилителям по этому параметру [1].

На Фиг. 2 представлена эквивалентная электрическая схема активного излучателя.

Обозначения, принятые на Фиг. 2:

X_L - индуктивное сопротивление излучающего элемента;

Х_С - емкостное сопротивление излучающего элемента;

R - активное сопротивление излучающего элемента;

R_д - дополнительный резистор;

С_р - разделительный конденсатор;

Е_к - напряжение источника коллекторного питания.

Широкополосность такого излучателя может быть реализована при условии обеспечения резистивного характера сопротивления излучателя в рабочем диапазоне частот. Это условие может быть записано в виде двух неравенств:

где: ƒ_max - максимальное значение частоты рабочего диапазона.

Первое условие минимизирует шунтирование ветви с резистивным сопротивлением низким сопротивлением параллельной ветви с частотно-зависимым емкостным сопротивлением. Второе неравенство предполагает минимизацию влияния частотно-зависимого сопротивления индуктивности излучателя.

Для расчета емкости излучателя учтем его емкость относительно земли C₁ на расстоянии равном его высоте и его емкость С₂ с учетом двух ближайших излучателей. В этом случае общая емкость каждого отдельного излучателя может быть оценена как сумма С=С₁+С₂.

Для расчета емкости относительно земли аппроксимируем каждый элемент длины излучателя и соответствующий ему элемент на поверхности земли цилиндрическим конденсатором с внутренним радиусом, равным радиусу излучателя 0,02М и внешним радиусом, равным отрезку четверти окружности с радиусом равным расстоянию от земли до элемента на излучателе (см. Фиг. 3). В этом случае суммарная емкость всех элементарных цилиндрических конденсаторов может быть рассчитана по формуле [2]:

где: ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды; - длина цилиндрического конденсатора; R1 и r - внешний и внутренний радиусы цилиндра, соответственно. В нашем случае ε=ε₀=8,854⋅10^-12 Ф/м,

r=0,02м радиус проводника - излучателя, R1 - внешний радиус.

При принятой аппроксимации внешний радиус R1=0,25⋅2πh=0,5πh является функцией изменяющейся переменной h. Чтобы определить емкость С₁ проинтегрируем функцию С₁(h)

Рассчитанное значение С₁=3,595⋅10^-12 Ф. Анализ известных [2] значений емкостных сопротивлений штыревых антенн длиной 4 метра показал, что расчетное значение емкости при h₀=4М имеет один порядок с емкостными сопротивлениями реальных антенн.

Расчет емкости С₂ аппроксимируем расчетом емкости двухпроводной линии. Расчетное соотношение в этом случае имеет вид [3]:

Соотношение справедливо при В нашем случае ε=ε₀=8,854⋅10^-12 Ф/м, - длина проводников, d – 1м - расстояние между проводниками - излучателями, r=0,02м - радиусы сечения проводников-излучателей. Рассчитанное значение С₂=7,11⋅10^-12 Ф. С учетом того, что у каждого излучателя два соседних, суммарная емкость С каждого излучателя определяется соотношением: С=С₁+2С₂=1,782⋅10^-11 Ф.

Индуктивность излучателя аппроксимируется индуктивностью коаксиального проводника, поскольку излучатель представляет цилиндр и рассчитывается по формуле [3]:

В нашем случае магнитная индукция меди μ=1,257⋅10^-6 Гн/м, длина проводника, r₂=0,02м радиус внешнего проводника, r₁=0,01м радиус внутреннего проводника. Рассчитанное значение индуктивности излучателя L=1,386⋅10^-7 Гн.

Активное сопротивление излучателя рассчитывалось по формуле [3]:

где: ρ=1,8⋅10^-2 Ом*м - удельное сопротивление;

S=πr₂²-πr₁². Рассчитанное значение активного сопротивления R=1,9⋅10^-5 Ом.

Проверка первого условия широкополосности

На верхней частоте рабочего СВ диапазона 3 МГц, с учетом рассчитанных значений R, L и С, сумма с левой стороны неравенства равна 21,499 Ом, емкостное сопротивление с правой стороны неравенства равно 2,978⋅10³ Ом. Можно констатировать - первое неравенство выполняется, но невыполняется неравенство требующее большего значения активного сопротивления R относительно реактивного X_L т.к. R=1,9⋅10^-5 Ом меньше 2πƒ_maxL=2,613 Ом. С целью обеспечения активного характера сопротивления нагрузки, обеспечивающего широкополосность, последовательно с излучателем включен дополнительный резистор R_д=10 Ом. В этом случае общее сопротивление будет определяться суммой сопротивлений R_д+2πƒ_maxL=12,613 Ом, что существенно меньше чем сопротивление

На минимальной частоте СВ рабочего диапазона равной 300 кГц емкостное сопротивление увеличится в 10 раз, а 2πƒ_minL снижается в 10 раз. Расчеты показали, что оба условия широкополосности выполняются во всем рабочем СВ диапазоне.

Таким образом, обосновано предложенное решение задачи определения конкретных значений размеров излучателей для реализации передающего широкополосного антенного устройства СВ диапазона, исключающего необходимость иметь перестраиваемые элементы согласования во всем средневолновом диапазоне волн. Следует отметить, что реализация такого антенного устройства позволит внедрить помехозащищенный режим псевдослучайной перестройки частоты в СВ диапазоне.

1. Муравченко В.Л., Балахонов А.Н. Ключевое формирование гармонического сигнала. Электросвязь, №3, 2014.

2. Под ред. Муравьева Ю.К. Характеристики антенн для радиосвязи. - Ленинград.: ВКАС, 1967.

3. Под ред. X. Штекера. Справочник по физике. Формулы, таблицы, схемы. - М.: Техносфера, 2009, стр. 501-504, 532-533, 565-566.