Сингулярные антенны

Секция: «Антенно-фидерные системы и распространение радиоволн». Автор: Тихомиров Сергей Георгиевич ( Sergey Tikhomirov), к.т. н., dr. ph. Тема: «Широкополосные передающие сингулярные антенны» (Wideband transmitting singular antenna)

Антенна радиопередающего устройства (РПДУ) является инжектором высокочастотной энергии в окружающее про-странство. Наряду с излучающей способностью важнейшей характеристикой передающей антенны является ее способность поглощать ВЧ энергию, поступающую от РПДУ с последующей инжекцией этой энергии в эфир и минимальными резистив-ными потерями в теле антенны. То есть, входное согласование и КПД. Неперестраиваемыt широкополосные антенны средневолнового и коротковолнового диапазонов с приемлемым вход-ным согласованием и КПД имеют габариты порядка четверти длинны волны, то есть десятки и сотни метров. Бортовые и носимые антенны при существенно меньших размерах (порядка нескольких метров) представляют собой узкополосные вы-сокодобротные резонансные устройства. Для работы в широком диапазоне частот в состав антенно-фидерного тракта бор-товых РПДУ приходится включать перестраиваемые антенные согласующие устройства (АСУ). Малая ширина полосы про-пускания самой антенны, значительное время перестройки, ограниченный ресурс переключений частот и низкий собствен-ный КПД АСУ существенно сужают возможность использования РПДУ в составе современных адаптивных систем радио-связи и автоматизированных комплексов связи. Простейший вариант антенны — вертикально стоящий над подстилающей поверхностью проводящий штырь можно рассматривать, как неоднородную линию с распределенными параметрами, разомкнутую на конце. Такая антенна согласу-ется с генератором возбуждения только в отдельных точках рабочего диапазона (рис.1, штрихпунктирная линия), при чем самая низкая частота согласования соответствует длине волны вчетверо большей, чем длина штыря. В работах автора аналитически синтезированы неоднородные линии, в которых без затухания распространяются вол-ны нормированного тока или напряжение во всем диапазоне частот. Эти линии содержат сингулярные точки, в которых вол-новое сопротивление обращается в бесконечность или нуль. В разомкнутом или короткозамкнутом отрезке такой линии, ограниченном сингулярной точкой, формально реализовывался режим бегущей волны. Антенны в виде отрезков неодно-родных линий с сингулярными точками (СИНГУЛЯРНЫЕ АНТЕННЫ) теоретически представляют собой идеальную неперестраиваемую широкополосную антенну, эффективно инжектирующую высокочастотную энергию в пространство.

Рисунок1 КСВн на входе антенных штырей различной формы.

Штырь переменного диаметра над проводящей поверхностью, образующий с ней неоднородную сингулярную линию, имеет форму вытянутой луковицы. Диапазон частот входного согласования идеального сингуляра (рис.1, сплошная линия) простирается с некоторой частоты до бесконечности, что свидетельствует о существовании в идеальной сингулярной антен-не режима бегущей волны. Однако идеальный сингулярный штырь технологически не реализуем, так как участки, макси-мально удаленные от земли, должны иметь бесконечно малый диаметр. Для реального сингулярного штыря (рис.1, пунк-тирная линия) в виде конструкции, составленной из отрезков проводников конечного диаметра также характерно широко-полосное согласование, то есть, режим бегущей волны. Экспериментально показано, что эффективность связи в КВ диапазон (1.5 МГц — 30 МГц) на расстоянии 18 км с син-гулярной антенной длиной 2.5 м не хуже, чем и при использовании штатной антенны РПДУ длиной 8 м. Разработанные методы расчета сингулярных вибраторов, позволяют сократить продольные и поперечные размеры до необходимого минимума (в десятки и сотни раз) при сохранении широкополосного согласования. Экспериментально пока-зано, что сингулярный вибратор длиной 65 см (с системой замедления) обеспечивал устойчивую широкополосную радио-связь в диапазоне частот от 1.5 МГц до 30 МГц на расстоянии 18 км. Сингулярные антенны являются перспективным классом широкополосных малогабаритных (бортовых и носимых) антенн средневолнового и коротковолнового диапазона частот. Но для их полноценного практического применения необхо-дима широкая экспериментальная проработка макетов различных конструкций, так как отсутствуют эффективные электро-динамические обоснованные методы анализа сложных криволинейных пространственных конфигураций, присущих сингулярным вибраторам.