Электродинамические задачи теории тонких вибраторов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

• ! я'я

Сгнкт-ПеторЗургсюй. гоеударотвонний технический университет

На нравах рукописи

Ч V

удк 621.396.67.01

Левин Борис Миронович ЭЖ-СГР0ДЦШ,СЯЕС1СЖ ЗАДАЧИ

теории тоник вператогов

Специальность 01.04.03 - .радиофизика

\

Автореферат диссертации на соисканио учёной степени до!;тора физико-математических наук

Санкт-Петербург,1992

Работа выполнена в Конструкторском бкро "Связьшрпроект" С'фкциальние оппоненты: доктор теакяесквх наук, проф.Сосунов Б.В., доктор технических наук, проф.Шапников Д.Б., - доктор Геизико-1.штемст1гчоских наук, нач.сектора Ытагер Е.А.

Ведущая организация - Лешашрсдски!! электротехнический кисти связи ки. проф. М.А.Боич-Еруевича /¡у ;

Ездвта диссертации состоится и'4А. ^ «-••«¿.-ал^ • тос.2 г. на з седшши специализированного совета Д.0о3.33.02 при С-Петарбургскс технической университете (СтПетербург,Политехническая ул. ,29, г.уд.\ 0 диссертацией можно ознакомиться в йувдокоитальшС бнблиоте института ,.-/. .

Автореферат разослан "/ °^ ];,С2 г.

Учшшй секретарь специализированного совста,

к,т.н.,доцент К.Г.Ут

ОБЩАЯ ХАРАКТЕР!¡0Т1 !КА РАБОТЫ

Актуальность темы, Одно из центральных мост и теории ан-'3!:Н занимает теорйя-щбраторов. Разработка со и.мзет большое щачэние, во-первых, потому,^Чтсызлбрагорняя антенна - широко эаспространэнпнй тип излучателя, и,во-втор!к7"пО?ому,-что-1Дйтод расчета сложной антенны г,тэт быть построен путем разбиения ее 1а более простые элемента.

В тооряи вибгаторов выделим четыре класса алектродшюга-гсеких задач. Первая из них - ото расчет электрических характе-зистик металлического вибратора сложной фор:.«, например, прово-ючной антенны, состоящей из произвольно расположенных и частич-ю соединенных друг с другом отрезков прямых проводов. Прл мало? вдине отрезков такой вибратор переходит в криволинейный.

Вторая задача - расчет систсм линейных вибраторов, а таете зляянля на их характеристики металлических предметов и земли. Это особенно актуально, если антенны расположены в стесненных условиях, в непосредственной близости от металлических масс различной формы и размеров, например, на подвижных объектах.

Третья задача - расчет вибраторов с распределенными и сосредоточенными нагрузкам. Для таких излучателей важно не только определить их электрические характеристики, но и решить обратную задачу - например, путем выбора нагрузок получить требуемый уровень согласования и нужную форму диаграммы направленности создает, заданное распределение тока.

Четвертая задача - расчет многопроводных вибраторов, в том меле петлевых, мн ого петлевых и многовибраторных антенн. Как правило, в таких излучателях используются структуры из параллельных проводов.

Роиенле этих задач необходимо для дальнепиего развития антенной техник::, Изучение закономерностей алаяния спсциа'лчес-глх условий газмеаеняя антенн па объекте на характеристики антенн позтзодкот сделать важные для практики выводи.

I 'е л ь и с ел о л о в з:: и г. - разработка методов анализа электрических характеристик указанных излучателей (прямая задача), а также синтез излучателе:: с заданными электрическими характорлсти-каш (обратная задача)..

Готол псояедоввняя. В работе использован метод расчета вибраторов, основанный на решении интегрального уравнения для тока в антенне. Дано последовательное изложение метода, и рассмотрены особенности его применения в различных задачах.

При решении задач синтеза использован метод математического программирования, при расчете многопроводных антенн - теория несимметричных линий. При анализе влияния металлических конструкций использован метод, основанный на замене металлических тел системой тонких проводов.

Научная новизна. В работе получены следующие результата.

I. Выведены: -

а) интегральное уравнение для тока в топком металлическом вибраторе, состоящем из произвольно расположенных отрезков прямых проводов, и в криволинейном металлическом вибраторе;

б) штегро-даффэранцаальное уравнение для тока в каждом из двух'близко расположенных вибраторов, аналогичное уравнению Леонтовича-Ловина. Предложен видоизмененный метод его решения;

в) интегро-диффоренциалъное уравнение дяя тока в тонко:.: вибраторе с постоянным по длино поверхностным импедансом. Урав-

нение решено методом возмущений во втором но

г) щиегро-тяф$оревпяально8 урэкне!п:е для тока в тонком вибраторе с перемзиним (куссчло-постояштим) поверхностным импедансом. Найден закон распределения тока, и получена интегральная формула д-я. входа О1о__сснрстивленпя антонни;

д) 1штогро-ди(М'в0'3!1циально'Г уравнаш<е_тока в тонкой вибраторе с сосредоточениям:! нагрузками. Найден закон распределения тока вдоль вибратора, и получена интегральная формула для его входного сопротивления.

2. На основе теоремы о колейтвтался мощности выведена вторая формулировка метода наводимых ЭДС. Показано, что янтеграть-ная формула для входного сопротивления антегпш, полученная о помощью видоизмененного метода решения уравнения Леонтовича-Левина, полностью совпадает со второй формулиров, метода наводимых ЭДС (а при отсутствии потерь в среде и в проводах антенны - и с первой формулировкой).

Метод наводимых ЭДС обобщен на случай вибраторов с постоянным и переменным поверхностным импедансом, с сосредоточешгеш нагрузками, а такав на случай вибраторов, состояпих из нескольких проводов и нескольких участков, на границах которых производная тока терпит разрыв.

■3. Найден закон изменения постоянной распространения волны здоль линейного вибратора с сосредоточенными нагрузка®, обеспе-шваюший синфазное распределение тока вдоль антеннн, прп кото-)ом имеют место хорошее согласование с кабелем и излучение в шоскостя, перпендикулярной оси вибратора. Показано, что для вализации этого закона в широком диапазоне частот в качество агрузок нужно использовать емкости или отрицательные индуктнв-ости (частотно-зависимыо емкости).

Методом математического программирования решена задачавы-бора емкостных нагрузок, обсспечнвающис в заданном частотном диапазоне высо:шй уровень согласовашш и требуемую <£орыу диаграммы направленности. Показано, что этот метод можно приманить для выбора нагрузок, обеспечпвакЕИХ заданное распрсдолошш тока вдаль вибратора.

4. Описаны:

универсальная программа расчета проволочных антенн слодной сорми с сосредоточенными нагрузкеш, основанная на интегральном уравнении для тока вдоль провода, методе моментов и системе кусочно-синусоидальных базисных'функции.

программа синтеза антенн с сосредоточенными нагрузками, основанная на катоде математического программирования,

метод анализа влияния металлических-конструкций на характеристики антенн, основанный на замело металлических тел системой ' тонких проводов.

С помощью этого метода и универсальной программы вычислены электрические характеристики штыревых антенн, установленных на стойках и роях, а также проанализировано влияние металлических надстроек (с учетом их форми и высоты) на характеристики близко расцолоиенкых антенн и антенных юшеток. Даны рекомендации по выбору числа проводов в эквивалентной системе. Показано, что использование сосредоточенных нагрузок позволяет уиенышть влияние металлической надстройки на диаграмму направленности антенна.

С помощью программы синтеза выбраны оптимальные емкостные нагрузки для антенн разных диапазонов, и определены максимально достигни;,ше характеристики емкостных антенн.

5. Теория несишетричнпх линий прикеиона к рпечоту дома»—

деления тока в млогопроводных вибраторах. Разработаны методы расчета.электшческих характеристик:

петлевогц_ вибратора с постоянным поворхкостним импедансом (как замкнутого, так ¡¡-разомкнутого-на конце),

многопетлевого вибратора, выполненного^« параллельных металлических проводов, замкнутых попарно с обоих концов,

вибратора с меандрической нагрузкой (выполненной в гиде многопетловой структуры),

многовибрЬторной антенны, состоящей из центрального вибратора' с комплексным нагрузочным сопротивлением и бокспих вибраторов одинаковой длины, расположенных вокруг центрального по образующим цилиндра.

6. Предложена антенна - объемный излучатель, построенный по принципу самодополнительности н выполненный в виде треугольного металлического вибратора, подпеиенного на двух заземленных опорах и расположенного под острым углом к плоскости земли, что позволяет увеличить КНД антенны и расширять диапазон в сторону низких частот.

7. С помошъю теоремы о колеблющейся мощности получено выражение для сопротивления потерь вертикального несимметричного вибратора в земле. Вычислено сопротивление поторь в земле для линейного металлического вибратора с приподнятой точкой питания, линейного вибратора с постоянным поверхностным импедансом и петлевого вибратора.

8. Уточнены методы измерешя отдельных характеристик антенн, в частности, рассмотрено влияние диаграммы направленности вспомогательной антошш, наводок в кабеле и смешения исследуемой

антенны из центра стенда на результаты измерений диаграммы направленности , и даны рекомендации по методике измерений.

Обоснованность и доотовеоттрсть полученных в работе результатов является следствием строгости уравнений, адекватного математического аппарата, согласия расчетных и экспериментальных результатов.

Практическая ценность. Результаты работы использованы для решения практических задач, выполнения расчетов и выдачи конкретике рекомендаций. В работе описаны разработанные при участии автора

судовая антенна-мачта с индуктивно-емкостной нагрузкой,

судовая антенна верхнего питания с нагрузкой в виде двух

)

проволочных цилиндров,

объемный излучатель, основанный на принципе самодоислни-телыюсти, н антенна с меандрической нагрузкой - для берегового радиоцент ра,

раздвижная многопроводная и два варианта импедансных антенн, построенные на базе телескопического стержня,

перестраиваемая антенна с сосредоточенными емкостными нагрузками,

многовибраторная антенна с конденсаторами, совмещенная антенна с конденсаторами в высокочастотном излучателе и катушками индуктивности в низкочастотном излучателе, многопетлевая антенна в надувном баллоне, равномерная линейная решетка и решетка из произвольно расположенных широко,диапазонных излучателей.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на всесоюзных научно-технических кон^'тсшшях в Москве, Сянкт-По-

тербурго, Харькове и Наяном Новгороде (12 сообщений), областных конференциях в Санкт-Петербурге (23 сообщения) и респубдикан-ских семинарах^Севастополе (8 сообщений).

Публикации. По'~мате риалам диссертации опубликованы 112 научных работ, в том число две~~работы.з_Трудэх международных симпозиумов по электромагнитной совместимости во Вроцлаве (Польша), 17 статей во Всесоюзных куриалах "Радиотехника и электроника", "Радиотехника", "Радиотехника" (Харьков) я сб. "Антенны", 35 статей в отраслевых изданиях "Судостроение", "Вопросы судостроения", "Судостроительная промышюнность", "Труда ЦЕСЕ.И" и

т, „ тезисов

пр. Кроме того, работы автора опубликованы в сборннкахптаучно-

технических конференций. Получено 30 авторских свидетельств на изобретения.

На ззпиту выносятся следующие основные результаты.

1. .Вывод интегральных и интегро-дафференциальних уравнений для тока в металлическом вибраторе сложной формы (кусочно-липей-ном и криволинейном), в вибраторе с поверхностным импедансом (постоянным и кусочно-постоянным по длине), в вибраторе с сосредоточенными нагрузкам, а также в каждом из двух и более близкорасположенных вибраторов.

2. Видоизмененный метод решения интегро-дафференциального уравнения Леонтовича-Левина, позволяющий получить интегральные формулы для входного сопротивления указанных вибраторов.

3. Применение к излучателю теоремы о колеблющейся мощности и вывод на ее основе второй формулировки метода наводимых ЭДС.

4. Обобщение метода наводимых ЭДС на случай вибраторов о поверхностным импедансом (постоянным и нуоочно-постоянным), с сосредоточенными нагрузками, а также вибраторов из нескольких проводов и нескольких участков (с разрывом производной полного

тока на границах участков).

5. Репеиие задачи создания синфазного распределения тока вдоль вибратора с сосредоточенными нагрузками, при котором обе> печиваитсзэксокий уровень согласования и излучение в плоскости, перпендикулярной оси вибратора. Вывод закона, определявшего характер изменения постоянной распространения волны вдоль вибраи ра в зависимости от амплитудного распределения тока.

6. Выбор типа нагрузок, реализующих синфазное распределен! тока в сирокои диапазона частот (резистивно-еыкостные, оыкостш с частотно-зависимыми емкостями). Расчет величин нагрузок для создания заданного амплитудного распределения тока.

7. Применение метода математического программирования к решению задачи выбора емкостных нагрузок с целью, создашш вибратора, обеспечивающего в заданном диапазоне частот высокие электрические характеристики или требуемое распределение тока. Определение максимально допустимых характеристик излучателя с емкостными нагрузкам.

8. Применение метода, основанного на замене металлических тел системой тонких проводов, для анализа влияния близко расположенных конструкций на свойства излучателя. Расчет электрических характеристик линейных излучателей, установленных на стойка и реях (с учетом мачты).

9. Анализ влияния металлических надстроек па диаграммы направленности и другие характеристики антенн и антенных решеток. Использование антенн с сосредоточенными нагрузкам! для уменьшения отого влияния.

10. Применение теории несимлотричтчк линии к расчету распределения тока и электрических характеристик многопронодпих

излучателей (петлевого вибратора с поверхностным импедансом, многопетлевого вибратора, антенны с меандрической нагрузкой, многовпбраторной^антенны с нагрузочным сопротивлением).

11. Пдаменение^соремы о колеблющейся мощности к решению задачи расчета сопротивления потерь вибратора в земле. Расчет сопротивления потерь в земле для линейных вибраторов с приподнятой точкой литания и поверхностным импедансом, а такке петлевого вибратора.

ч

12. Уточнение методик измерения диаграмм направленности антенн.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и списка литературы, 3 конце каждой главы приведены основные результаты. Объем работы - 341 страница, в том числе 125 рисунков, 20 таблиц.

СОДЕРЗШНЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и .сформулированы четыре класса электродинамических задач, решение которых необходимо для дачьнейшего развития теории тошсих вибраторов, а такие указаны основные методы исследования. Дано краткое изложение содержания диссертации и получении в ней теоретических результатов. Перечислены антенны, разработанные при участии автора.

Первая главд посвяшена металлическим вибраторам сложной формы. В ней рассмотрено место теории вибраторов в теории антенн, приведены уравнения Максвелла и волновое уравнение для вэкторно-го потенциала, а также связь между напряженностью электрического

и магнитного поля ;; векторным потенциалом. Вычислены векторный потенциал и напряженность электрического поля, создаваемые током, текущим вдоль прямой идеально проводящей нити или прямого тонкостепного цилиндра. Результат обобщен на случай нити, состоящей из произвольно расположенных прямых отрезков (кусочнп-ллнейпой) - см. тле Л. Касатольная составляющая суммарного поля токоз всех отрезков вдмь Р -го отрезка равна

= (I)

г -К--1 ^ 11 сре^п

"Чи

где и - круговая частота, £ - абсолютная диэлектрическая проницаемость среда, <г - помор отрезка, /V - число отрезков, 11 ^на - координаты начала и конца ¿'„.-го отрезка па оси К - постоянная распространения волны, - аункция Грина, ¿'¡п V. ¿р - единичные вектора (орты), направление которых совпадает с осевыми линиями проводов.

Ь соответствии с часто используемом предположение!,! о синусоидальном распределении тока вдоль провода вычислена капртаен-ность поля, создаваемого питью и тонкостным цилиндром. Описан метод наводимых ЭДС, основанный на приравнивания мощности, проходящей через поверхность вибратора, и мощности, отдаваемой генератором. Показано, что приравнивание комплексных мощностей приводит к первой формулировке метода наводимых ЭДС, а приравнивание зсодебля'дихся мощностей - ко второй, впервые полученной

М.И.Конторовичем, исходя из принципа взаимности. В соответствии

Ч

со второй формулировкой входное сопротивление вибратора равно

I

Ф^о) ] (2)

где 7!(ь)~ ток генератора, 1_ - длина плеча вибратора. Подчеркнуто, что вывод второй формулировка выполнен строго, а при

;.;воде первой использовано понятие реактивной мощности, которое не имеет физического смысла.

Сформулирована основная задача теория вибраторов - найти распределение тока",~ который создает электромагнитное поле, удовлетворявшее граничным условия;.:.--В_ соответствии с граничным условием для касательной составляоиен напряженности электрического поля па идеально проводгапей поверхности металлического вибратора написаны интегральные и 1Штегро-д;1&;еЕ-знц;:алзн1;о уравнения для тока в вибраторе, в том число уравнение ГГоклннгтона, уравнение Леонтовича-Левлна, уразпекяя Галлона для тока вдоль тонкостенного цилиндра, вдоль нити и вдоль нити о конечным радиусом. Используя выражение (I), получено уравнение для кусоч-ночяикейного вибратора, являвшееся обобщением уравнения Псклинг-тона:

I о)

'"-'-< ¿и, Г П

где Кр (р) - сторонняя ЭдС, включенная ка р -м отрезке. Устремляя даши отрезков к нулз, ис:1—де/л к уравнению для тока в криволинейном проводе:

] - ^ Щ К(*). (4)

__ (М '

Здесь ^ и ^ - касательные орты в точках интегрирования и найлццепия.

Рассмотрены численные метода решения интегральных уравнений для тока: метод моментов и сшивания по точкам. Указано, что метод моментов означает енпхение до минимума различий между обеими частями уравнеш;я во всех точках интерзала пзмене;ия г , что в конечном счете оказывается более важны;.!, чем точное равенство в отдельных точках. Поэтому метод моментов поззоляет

обеспечить более точное решение.

С'бстаг-'гены разные системы базисных и весовых функции. Показано, что применение кусочно-синусоидальных функций приводит к системе алгебраических уравнений

V

«7=< 'п ""т

где 3 ? +( -г,,,,.

ч-й г'йг

а 1 г'

А)

г

Выражение дтя соответствует взаимному сопротивлению между

/"> -м и п -и вибраторами, вычисленному методом наводимых ЭДС, с величина ¿¿г предстааляет собой ЭДС генератора, включенного в центра -го -вибратора. Вибраторы считаются изолированными, т.е. ток вдоль каждого из них распределен по синусоидальному закону ( 1К ~ тек в центре вибратора). Таким образом, система уравнений (5) - это система уравнении Кирхгой.а для совокупности коротких вибраторов, образующих проволочную антенну. Отсюда следует также, что использование кусочно-синусоидальных г}уш<циИ в качестве базисных и весовых соответствует физическому содержанию задачи. Этим объясняется основное достоинство метода -быстрая сходимость результатов.

Описана универсальная программа расчета кусочно-линейных проволочных антенн, основанная на решении системы уиаьноний (Ь). Приведены результаты расчетов входного сопротивления поепшот-ричного вибратора, бантообразной антенны и шшшш; из нескольких бантообразных элементов (конический вибратор, ч;:мон<пшнИ

системой проводов), подтверждаемо высокую объективность метода.

Последний раздол глят« посвяа:сн антеннам, основанным на принципо доЪолмтельности. Одним из вариантов такого излучателя является плоская несимметричная антенна в виде троуголъного металлического вибратора с углом - ^ __ _ дда вэрыине, подвоазнного на двух заземлеш;их металлических опорах. Впбратор'выполненв " виде системы проводов. Антенна имеет высокий у„о.сокь соглассва-ния с фидером в строкой диапазоне частот.

Списан объемный излучатель, имеющий аналогичные характеристики. В нем треугольный металлический вибратор расположен под острым углом к плоскости земли, что позволяет увеличить размеры вибратора при той .т.е высоте мачт (расгяспть диапазон в сторону низких частот);: увеличить КПД .

По универсальной программ1,:о выполнен расчет обтемной и плоской антенны ограниченных размеров, основанных па принципе дополнительности. 'Расчет подтзерхден экспериментом.

Вторая глава посвящена системам линейных металлических вибраторов, а такяе влиянии металлически надстроек и подстилаю-шей поверхности на характеристики излучателя. / В первом разделе главы выведено интегро-дифй.еронциальное у.-равнение для тока з каждом из двух близко расположенных параллельных вибраторов (рис. 2), которое является обобщением уравнения Леонтовича-Левина для тока в одиночном вибраторе:

где и - токи в первом и втором вибраторах,

=—-' - малый параметр, К, (л) - сторонняя ЭДС в первом

вибраторе, - пнтегро-да14с гениальный *угкццонал,

поде, создаваемое током второго вибратора на

поверхности первого, /■! и л, - длина плеча к радиус первого вибратора соответственно.

Уравнение решается методом возмутонкй, т.е. ток пс;ется в виде ряда по степеням малого параметра ?[. Црздлехепг.ий автором епдоизмэлокны;: метод решения уравнения позволяет получить интегральную формулу дгл кгждого последующего члена ряда и на!-!— ти его, если известен ЕродидугаЛ член ряда. Соответственно мокно получить интегральную формулу для входного сопротшлоняя первого вибратора в п -см по ^ приближении:

где £, - возбухдакхая ЗЛО в первом вибраторе, Ц^) и -

ток: в (п-<) -м пркбккнонап в первом к во втором вибраторах со-ответствено, а и поля, создаваемые ц?.т иг. поверх-

ности первого вибратора. в частном случае, когда ."'„'«л {с, формула (8) переходит в выражение

— ^ (9)

'I 1 ' -д.

которое представляет собой вторую формулировку истода наводимых ЭДС для двух вибраторов к обсблает формулу (2). Бата н качестве •-»(о) псяатьзозать синусоидальное распределение тока (порвос пжйяажолко), то условие !-0 в окрестностях трялдолыюго резонанса не выполняется, т.о. метод паводглз.ч ЗЛО /лот здесь неверный результат.

Для линейного вибратора, распадоконного ь среда без потерь, от выражения (9) махло поропти к аналитическому шрежешт, пред-ставлядыому собой ворьуп ^ораудвролку метода нгшодймих удо, т.о.

обе формулировка справедливы к во втором по ^ прийс-мокш дают одинаковые результаты. Дат линейного вибратора в среде с потерями первая^ формулировка не справедлива, как и при натичии потерь з самой антеннеЛнапример, потерь на с:--::н-эн5ект в металлическом стершие или потерь в ситовой оболочке вокруг стерспя).

Во втором разделе главы нажозва скстека уравнений Кирхгофа для токов в нескольких излучателях. Показано, что известный вариант этой системы, соответствумдЕл последовательному включению в схему внеси.'..-« излучателям: сопрогяашдй, дает больздэ когрзкность в окрэстпостяс параллельного розоиаксв, Прсдяогвна гдраллелкюя схема, в которой проводимость ксадсго излучателя, представлена в виде суммы прэзздпмостей.

В третьем разделе расскэтроаи характеристики направленности системы кзяучатело::, йжкехон коэффициент направлсиного действия (КЦД) «азкровапшос антенных рсметох из изотропных излучателей (линейной, квадратной и двухрядной) в зависимости от кап- . разлепил излучения и частоты - в разных ремимах фазирования (в геклме максимального излучения в заданном направлении и в реклме нулевого излучения в противоположном щпраашшя). Зкчясяеиы фазовые сдвиги между излучателями указанных решеток в обоих режимах, а так&о фазовые сдвиги, обеспечивающие режим излучения в заданном направлении в системе из произвольно расположенных излучателей.

13 четвертом разделе проанализированы электрические 'характеристики вибраторных антенн, установленных на тонких надстройках (стойках, колонках и т.п.). Показано, что если общая длина антенны и стойки невелика, ололтричеекке характеристик! антеыш на стойке момпо вычислить, рассматривая со как песимметрллчгай вибратор с приподнятой точкой питания. Показано, что диаграмма

направленности такс.-: антенны в вертикально:: плоскости и другие ее характеристики существенно отличаются от соотвстствую'лих характеристик антенны, установленной на бесконечно!; проводящей плоскости.

С-ормули доя расчета диаграммы обобщены на случай подстилаю-сон поверхности с не идеальной проводимостью.

Для расчета электрических характеристик антенн, установлен-них на стойках, в к:соком диапазоне частот целосообразно использовать уштевоальнув программу, Приведена результаты расчета штыревых антенн ка стоиках разной высоты (входное сопротивление и диаграмма назроатешюста), а та:с-;.о оксиоеггентакышо дяшше.

Белое слогхая задача - исследовапЕО электрических характеристик антенн, установленных на рее. В этом случае требуется -определить теки в системе проводов (проволочной структуре), эквивалентной антенне, рее и мачте. Расчеты выполнены по универсальной программа и подтверждены экспериментом.

В пятом разделе рассмотрено влияние па характеристики излучателя расположенных вблизи него ¡дотолдичееккх к-'истругда,:. jo-тод анализа основан па замене металлических те/ л:стемол топких проводов, а для расчетов использована yn::i.реальная программа. Исследовано влияние цилиндрического переизлучателя коночной длины на диаграммы направленности, К1Щ и входное сопротивление кесвшзтрачиого вертикального в/боаторз, и показано, что излучение в направлен;-:; надстройки, как нряшло, розко уменьшается, КЦД растет, а сопротивление излучения падает (за кешот'юшэти области параллельного резонанса). йыота надстройки сук ¡стышко влияет на все хсюкторастакк вибраторе. Но семи он.", больше r,u-соты вибратора на (J - длина полны), то хгдактоияский' теннг; такие л:е, как пра саг'.-догвибратора лйшии ,-.<-.к., •. -..-о

длинного переизлучателя.

Показано, что диаграмма направленности вибратора в горизонтальной плоскости в первую очередь определяется металлическими толами, расположенными на одном уровне с антенной. Число проводов в эквивалентной им проволочной структуре нукяо выбирать из условия, чтобы расстояние между проводами било доны» O,oij\. Горизонтальные провода в структуру вводить не а«до,- так как тога! в 1их малы. Вообще провода структуры следует располагать вдоль предполагаемых линий тока.

Рассмотрены задстрогйш сложно:: конфету рации, не совпадающе по форме с просттед! госкзткяескакз фигурам!, а также типичные для аодкшшх обьегтов тягазитм размсте;ия вибраторных антенн вблизи двух надстроек. Проанализировано влияние надстроек на диаграммы илпрашеиности а другие характеристики внтешшх гоеэ-ток.

В шостга разделе рассмотрено шгияние подстилающей ползрх-ности па входное сопротивление неспететричпого вертикального вибратора. О пс.можо тоорег.м о колеблп'лелся мощности выведена формула для сопротивления потерь в земле (воде). Результаты обобщены на случай впоратосов с приподнятой точкой питания и поверхностным импедансом.

Третья глав g посвякепа вибраторам с рзспрэделошшма и сосредоточенны;.::! нагрузками. Цригдаром вибратора с распределенной вагрупкол (пошрхностным импедансом) является антенна в виде металлического стзекня, покрытого слоем мзгиятодаалекпнка. Примером яитегага с сосредоточенными нагрузка:.-! может служить оптмшз с кэндиксаготго (рис. 3).

ti перг.ом рлодатс, исходя из порулевего граничного условия Hft пог-опч.чооти алтоыи, нипед^ио лятегро-дя^Гереицзачьнгс» урзл-

ненке дая тока в тонком импедансном вибраторе, которое является обобщением уравнения Леоктозича-Левина дая тока в металлическом вибратора:

где — всстраиогаш волны

едоль антенны, - поверхностный импеданс, - волновое

сопротивление свободного пространства.

Для вибратора с постоянным по длине 'поверхностным имподан-

о

coa л уравнение (10) решено методом возмущении во втором по ^ приближении. Обобщены такке другие метода расчета металлических вибраторов: метод эквивалентной длинной линии, метод вектора Пойнтинга, метод наводимых ЭДС. 3 частности, из метода наводимых ЭДС можно получить интегральную формулу для входного сопротивления: ^

Ока отличается от выражения (2) вторил слагаемым в квадратной скобке. Б случао импедапеного вибратора при вычислении излучаемой мощности величину Ег(з) следует заменить на разность Е^,- E-^fi)- Ну азимутальная составлявшая магнитного поля па поверхности антенны), т.е.в соответствии с граничным условием вычеотъ падошю напряжения на самой антенне, которое не вносят вклада в се излучение.

Аналогичный результат при условии ^(^фо можно получить, используя описанный выпи видокзмонешшй метод рсгасния интегро-ллффвренциакьиого уравнения Леонтовлча-Левина. а обшом случае получим

. 2кД2(г)

(Ю)

L

Для конкретно;': конструкции гнтеш-ш в виде металлического стертая с дерритовой оболочкой вычислен поверхностный импеданс антенны, и определено сопротивление потерь в оболочке.

Во втором разделе третьей главы рассмотрен вибратор с переменным по дтлкп (точнее, кусочно-постоянным) поверхности™ импедансом. Уравнение для тока на т -м участке в этом случае нмоот вид:

, < , - >,*, 7 ГК(<) г £ и, * * «

1 (тз)

Ьдось ~— - кзлдрзт постоянной распространения вдоль

< Г. ^л

»1 —го участка с новорхностнгм импедансом к V- число участков на каждом гкече симметричного вибратора.

••ехгзаио, что распределение тока вдоль каждого участка антснкн з иергом прзбзахшш синусоидальный характер

(считается, что где тяготели на границах участков), а распродо-хе:шс тот:а вдоль коего вибратора аналогично распределена» тока в ступеичатс;: длинной липни. Опте дол о ни параметры и входное соясотожогов эквивалентно;: ступенчатой давая. Для вкчясяеяпя входного сопротивления антенны использовано условие ортогональности роения первого урагаекля еистеми, волупашейся из уравнения (13) ч соответствия с методом возмущений, к правой части остальных усавпаккИ. В результате для антевчысточкой питания, из ссродалы на [постоянно Н, имеем:

^ - у^ • см)

где ,7 ток в (''-')-ом приближении нз -п -м участке антенны. Ь'пчггокко (14) является обобщением формулы (II).

А-ш антенн с пооточнигм и кусочно-постоянным повзрсяосттгл '.'нполнгнлих в г-иде метгмлччеекпх стержней с <$рррв-

товыми оболочками, вычислены активная и реактивная составляющие входного сопротивления, а такяе сопротиадепие излучения. Расчет подтве радел экспе рпмент ом.

Рассмотрен вопрос о рациональном (с точки зрения улучкенкя согласования антенны с кабелем) распределении импеданса вдоль вибратора. Показано, что повэрхностный импеданс антенны должен быть сосредоточен на малом участке вблизи генератора.

В третье;.; разделе главы рассмотрен вибратор с сосредоточенны;,и нагрузками. Выведено интегро-диЛТ-еренциальное уравнение для тока в таком вибраторе:

Ж) «о, (15)

где /V - число нагрузок, а величина п. -й нагрузки, вкл:о-ченной в точке с током Показано, что для антенны

с одной нагрузкой , включенной в точке 2 «г, , и с генератором, смешенным из центра в точку х=Д. , ток в первом

приближении равен

ч? ■ .7, (г) « ^ -т ^ к (¡- ^ К ■+

..С Оиг ^ . (16)

ЭссЬ-«? М 2 * 3:, -

где ,

.ло^г^_ ['. .Г.'1". ,

. т.е. ток вдоль вибратора с сосредоточенной нагрузкой содержит два синусоидальных члена: один из них связан с генератором, а другой - с нагрузкой.

Используя видоизмененный метод решения управления Леоптови-ча-Левина, получил при условии, что +

Это выражение совпадает с формулой, которую мокно написать, пользуясь методом наводимых ЭДС, если учесть, что подводимая к вибратору мощность, во-первых, расходуется на излучение, а во-вторых, выделяется в комплексной нагрузке Оно,легко

обобщается на случай нескольких нагрузок.

Для кусочно-линейного вибратора с нагрузка?.® в точках уравнение (3) примет вид:

¿/voí^w' ётп (16)

а вместо (5) будем иметь:

/r,í.p= <19)

Здесь считается, что разбиение провода на короткие вибраторы выполнено таким образом, что нагрузки разметены в цонтрах этих вибраторов.

Включение сосредоточенных и распределенных нагрузок мокло использовать ,дтя репения обратной задачи теории вибраторов -получить антенну с требуемыми электргг»скиви характеристиками. Больное практическое значение и;.'.еот частный случай этой задачи -создать вибратор, обеспечивающий в широком диапазоне частот высокий уровень согласования и максимум излучения в плоскости, перпендикулярной оси вибратора. Для этого в линейном вибраторе болыаой электрической длины ток должен быть еннфазен по всей длине или близок к снтТязному.

3 работе предложен метод анализа, основанный на замене антенны с сосредоточенными нагрузками антенной с кусочно-постоянным поверхностным импедансом, распределение тока вдаль которой в паевом приближении совпадает с распределением тока вдаль разоша'утой на конце линии о о ступепчотп.ч изменением постоянной распространения. При этом комплексная постоянная распростри!«-

гая ваяны ¡{к на к -м участке линии связана с поверхностным импедансом 2 м этого участка и с величиной нагрузки со-

отношением : у ^^ . ?

(20) •

Здесь X = ..' ,1. величина малого параметра на п -м участке г г 4П /йке

радиусом , а 6 - длина каждого участка.

Задаваясь синфазным распределением тока вдоль линии

(21)

где ¿у, - ток на входе линии, а ^С*) - весественная и положительная функция распределения, можно найти закон изменения постоянной распространения волны вдать линии, обеспечивающий требуемоэ амплитудное распределение тока у - < ]/,

--' (22)

Чтобы создать синфазное распределение тока, величина должна Сыть чисто вещественной или чисто мнимой вдоль всей антенны. Чтобы синфазное распределение имело место в широком диапазоне частот, величина \\ додана быть вещественной. Для этого каждая нагрузка должна быть выполнена в виде параллельного соединения резистора и конденсатора;

, 123)

Г На гЩк-ьМ-к^Н-' Р V у

где Г --* " , к и ^ - вешест-

вонная и мнимая части малого параметра, который в обшсм случае является комплексной величиной. Так как включение резисторов снижает КПД антенны, то вопрос их применения должен решаться в каждом конкретном случае.

Чтобы с ростом частоты величины ^ не становились, чисто

мнимыми, емкости конденсаторов должны изменяться обратно пропорционально квадрату частота.

Б качестве примера рассмотрено экспоненциальное распределение амплитуды тока вдоль антенны. Конденсаторы с постоянными емкостями позволяют создать такое распределение с пололштолышм декрементом, причем более высоте характеристики имеет антенна с распределением тска.бллзкзи к линейному, которое создается емкостями, убьта^лими к-свободному концу антенны пропорционально расстоянию от него.

Задача выбора емкостных нагрузок, включенных; в линейный вибратор н обеспечивающих в заданном диапазоне частот оптимальнее электрические характеристики, реооется методом математического программарогат«*. Сгоьту вопросу отсвякоп последний, четвертый раздел третьей главы. 3 ном описана программа синтеза антенн с сосредоточенными нагрузками, в которой для построения чункцни ошибки использован квазачебывевсквй кривдой, о мштапум «олсвой функции ясется методом сопряженных градиентов. Расчот электрических характеристик антенн проводится по универсальной программе, описанной в первой главе.

Программа синтеза антенн применена дкя выбора «ужостшос нагрузок, ^Ссспспявтжих в заданием диапазоне частот высокий уровень согласования а максимум излучения в плоскости, порпэнда-куляриол оси вибратора.!] качество начальных значений емкостей берутся величину, ыгшелеинне методом шдпедзнсной длинной линии (лкили со ступсчплтым изглгискием постоянной распрострапе.'чш). В'брячи о::-!'мзлъчые емкоскше нагрузка для антенн разных диапазонов, и определена гкжеппально досточише характеристики таких антенн. Гасчптн поцттггсдет! измерениями.

Показано, что программу синтеза можно использовать для оптимизации антенн с другими видами нагрузок и для определения В8ЛИЧ1Ш нагрузок, обеспечивающих требуемое распределение тока вдоль вибратора. Для расчета начальных значений емкостей наряду с методом имп.-.даноной линии разработан метод длинной линии с нагрузками, основанный на вычислении ее эквивалентной длины.

Включение в антенну сосредоточенных нагрузок дает известную свободу выбора длины антенны (с учетом конструктивных возможностей). Это позволяет.уменьшить влияние соседних металлических тел, например, надстроек,на диаграммы направленности антенн и антенных решеток.

Четвертая глзвд посвяшена петлевым и ыногопроводным вибраторам. В этой главе теория несимметричных линий применена к расчету распределения тока в антеннах, состоящих из параллельных проводов. Зная распределение тока, можно найти все электрические характеристики излучателя. Для расчета поля в дальней зоне используется величина полного тока антенны, а входное сопротивление определяется с помощью метода наводимых ЭДО или решения интегро-дифференциального уравнения, т.е. выражений вида (2) и (8), обобщенных на случай многопроводных систем.

Указанное обобщение состоит в том, что величину ¿(о) надо оамс.нить на ток генератора > который, например, в случае

короткозамкнутого петлевого вибратора не совпадает с полным током в основании антенны. Антенна, состояшая из нескольких проводов и нескольких участков, например, многовибраторная с комплексным нагрузочным сопротивлением, имеет разрыв производной тока на границах участков, что необходимо учесть при определении

В первом разделе главы описана методика расчота несимметричного металлического петлевого вибратора. Вычислено сопротивление потерь петлевого вибратора в земле.

Во втором разделе рассмотрен метод расчета электрических характеристик петлевого вибратора о постоянным поверхностным импедансом (рис.4,а). Показано, что в таком вибраторе токи и потенциалы проводов связаны :хесткиш соотношениями, зависящими от размеров проводов и их поверхностного импеданса. Поэтому изменяя места включения 2ДС и сосредоточенных нагрузок, а также их величины, невозможно создать в проводах только синфазные или только противофазные токи. Соответственно входное сопротивление нельзя представить в виде совокупности импедапсннх линия и вибраторов. Исключением является случай одинаковых проводов.

В третьем раздело рассмотрен метод расчета электрических характеристик многопетлевых вибраторов (рис.4,б), выполненных из параллельных металлических проводов, замкнутых попарно с обоих концов. Показано, что входное сопротивление У -петлевой антенны, разомкнутой на конце, представляет собой последовательное соединению линейного вибратора и нескольких коротко-заданугых линий, а антенны, замкнутой на конце, - параллельное соединение короткоза?ткпутой линии и ^ - петлевого вибратора с двойными проводникам, разомкнутого на конце. Вычислены характеристик!! для разных значений -V , в том числе сопротивление потерь в зоиле, н проводах и добротность кногопетлевых излучателе]].

В четвертом разделе рассмотрен метод расчета антенны с меандрической нагрузкой (рис.4,в), випаткспнсй в виде многопот-ловой структур«. Определены входные сопротивления нагрузок из •лпчпге числа г т.:¡ко гтепрдаг.:< и тт*! т:елг косого

провода.

В пятом разделе рассмотрен метод расчета многовибраторной антенны (рис.4,г), состоящей из центрального вибратора I с комплексной нагрузкой и боковых вибраторов 2 одинаковой длины, расположенных вокруг центрального по образующим цилиндра. Вычислены взаимные потенциальные коэффициенты между центральным проводом и группой боковых проводов, а также собственные потенциальные коэффициенты центрального провода и группы, которые необходимы для расчета электростатических и электродинамических волновых сопротивлений несимметричной лиши.

Приведены результаты расчетов и экспериментальных проверок.

Пятая часть посвяшена вибраторным антеннам дая судовой радиосвязи (судовым и береговым), при конструировании и расчете которых использованы метода, описанные в предыдущих главах. Эти антенны разработаны при непосредственном участки автора. Неречонь антенн приведен в разделе автореферата, описывающем практическую ценность работы.

В пятом разделе главы уточнены методы измерения отдельных характеристик антенн, в частности

рассмотрено влияние диаграммы направленности вспомогательной антенны, наводок в кабеле и смещения исследуемой антенны из центра стенда на результаты измерений диаграммы направленности,-

описаны устройство дая измерения распределения тока вдоль провода антенны с передачей сигнала по световоду и методика измерения КПД в антенне с розистивньш нагрузками.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Глушковсккй Э.А., Левин Б.М. п др. Линейные антенны о переменит поверхностным импедансом. - В кн.: Антенны, К 2. М.: Связь, 1967, с.154-165.

2. Глуыковский З.А., Левин Б.!.!., Рабинович Е.Я. Интегральное уравнение дая тока в тонком импедансном вибраторе. - Радиотехника, 1967, И 12, с.18-23.

3. Глушковский Э.А., Левин Б.М. и др. Методы расчета линейных импедансных вибраторов. - Радиотехника, 1968, № I, с.40—16.

4. Вертсов ".3., Левин Б.!Л. и др. Судовая антенна с индук-тивно-ешсостноп нагрузкой. - В кн.: Антенны, !Ь 3, М.: Связь,

1968, с.9-16.

5. Глуековский Э.А., Левин Б.М., Рабинович Е.Я. Тонкие магнитные имподансные антенны. - В кн.: Антенны, >£ 5. !.'.: Связь,

1969, с.1С8-120.

6. Левин Б.М. Импеданспкп петлевой вибратор. - В кн.: Антонин, :!: 23. 1,1.: Связь, 1976, с.00-90.

7. Левин Е.!Л., Разумов В.П. Сопротивлеше потерь в земло. -В кн.: Антенны, № 27. 1,1.: Связь, 1979, 0.125-133.

8. Левин Б..',!., чомипцев С.С. Зтияние цилиндрического пере-излучглсла. на параметры антенны и антенной решетки, - Радиотехника и электроника, 1984, .';> II, с.2140-2147.

9. Левин Е.Ы., Яковлев Л.Д. Антенна с нагрузками как импв-дансный вибратор с перемокши импедансом. - Радиотехника и электроника, 19В5, .';< I, с.25-33.

10. Левин Б.М., Градин А.З., Яковлев А.Д. Симметричный вибратор больион электрической длины с емкостными нагрузками.

- Радиотехника (Харьков), 1985, 74, с.1С-20.

11. Взрыкоп ;1.В., Левин Б.!,1. Нтиялио судовых металлических копстег-яип', и« характеристики антенн. - Радиотехника, 1986, № 4,

С.>пО-{ 1ч

12. Левин Б.М., 1Ли ротворсгий О.Б. Млоговибраторная антенна с резистором. - В кн.: Антенны, И 33. М.: Радио и связь, 1986, с.94-100.

13. Левин Б.М., Яковлев А.Д, Синтез антенн с нагрузками методом математического программирования. - Радиотехника и электроника, 1988, й 2, с.254-262.

14. Левин Б.М., йрадкн А.З., Яковлев А.Д. Антенны с емкостными нагрузками и уменьшение влияния переизлучателей. - В кн.: Труда 9-го международного симпозиума по электромагнитной совместимости. Вроцлав (Польиа), 1988. Т.1, с.327-331.

15. Левин Б.М., Фрадкн А,3., Яковлев А.Д. Оптимизация широ-кодиапазошшх антенн с нагрузкам:':. - В кн.: Труды 10-го международного симпозиума ло электромагнитной совместимости. Вроцлав (Польша), 1990. Т.1, с.48-53.

16. Левин Б.М. Использование нагрузок для получения заданного распределения тока вдоль вибратора. - Радиотехника и электроника, 1990, й 8, с;1581-1589.

17. Левин Б.М. Синтез антенн с заданным распределением тока. - Радиотехника (Харьков), 1992,-^98.

10. Левин Б.М., Яковлев А.Ф. Об одном методе расширения рабочего, диапазона антенны. - Радиотехника и электроника, 1992, И I, с. 55-64..

19. Левин Б.М. Линейный вибратор с частотно-зависимыми емкостями. - Радиотехника и электроника, 1992,л';1,с.65-71.

20. Левин Б.М. Входные сопротивления многопетлевых антенн. - Судостроение, 1970,6, с.39-41.

21. Левин Б.М. Сопротивление потерь и добротность многопетлевых антенн. - В кн.: Судовождение и связь. Труды 1Д1ИШФ, № 190, Л.: Транспорт, 1974, с.121-127.

22. Левин Б.М, Антенна о дцскгна дяя мзлотоннгшшх судов. -Вопроси судостроения, сер. СоТ, 1976, й 12, с.37—43.

23. Ленин Б..'Л. Меандрическая нагрузка с произвольным числом проводов. - В кн.: Автоматизация тргнснортнцх судов. Труди ЦШПЖ, 216. Л.: Транспорт, 1976,'с. 130-139.

24. Левин Б.М. Напряжения и тсг.н в меандрической нагрузке антенны. - В кн.: Судовом,дение и связь. Труды Ц£Ш9, & 224. Л.: Транспорт, 1977, с.55-60.

25. Левин Б.ы. Иитэтро-ед <|.зроадашаноо граиюняе для двух гиераторов. - 3 кн.: Судсвсгс-З^е и связь. Труда № 269, Л.: Транспорт, 1г.'32, с.69-81,

26. Левин Б.И. Измерение цавтраюин направясниостя антенны в вертикальной плоскости. - В кн.: Системы и срэдетва морской связи. Труды ЦШ1№, ,'й 276. Л.: Транспорт, 1982, с.65-73.

27. Левин Б.М. Экспеснменгачьная обработка судовых питешшх решеток. - В гл.: СоверЕонствоЕпние морской радиосвязи. Труды ЩИИ.«, ,'й 286. Л.: Транспорт, 1933, с.62-69.

28. Левин Б.М. Потери гютлевого вибратора в земле. - В кн.: Си стели и сродства морской радиосвязи. Труды ЩЕШФ, Л 296. Л.: Транспорт, 1983,- с Л 6-54.

29. Левин Б.М. йспользованле нагрузок для создания ллроко-диапазонного вибратора. - В кн.: Морская радиосвязь. Труда Щ1ИТЖ\ 5 308. Л.: Транспорт, 1935, с.31-10.

сЗО. Левин Б.М. Ндия;ше судовых надстроек на диаграмму направленности антенн г. антенных решеток. - Судостроительная промышленность, сер. СЗГ, 1998, 5, с.90-100.

31, Левин Б,П. ¡Забор типа нагрузок в варокодиапазонном пбряторо с иаггогзкгса. - Судостроительная пгог'ыш'зниесть, |'.ер,0.и', !9 9, .'•■ 7, с„9;

32. Левин Б.М. Результаты синтеза шпрокодаапазонного вибратора с емкостными нагрузками. - Судостроительная промышленность, сер. СЭТ, 1989, й 9, с.37-45.

33. Левин Б.М. Характеристики штыревой антенны, установленной на рае. - Судостроительная промышленность, сер. СЭТ, 1990,

а I, с.64-71.

34. Левин Б.М. Принцип дополнительности да я неплоских антенн и антенн с нагрузками. - Радиоэлектроника и связь, 1991, № 2, с.35-41.

35. Левин Б.М. Достшшмые характеристики вибратора с емкостными нагрузками. - Судостроительная промышленность, сер. СЗТ, 1991, ли (117), 26 -30.

Обшее число научных работ, опубликованных по материалам диссертации, равно 112, в том числе 30 авторских свидетельств на изобретения. •

газ ¿а у

^ г/ >

ш

т

г

£

у

¿1

Ш'

1 -

i

га,

РисМ

Петловие и ыногопроводше вибраторы: в - патлевоИ вибратор с поверхностным импедансом, б- многопотлевой вибротор, в - снтенио о меандричоской нагрузкой, г - многовибсоторная аитоннв с комплексной нагрузкой

М