Сверхширокополосная комбинированная зигзагообразная антенна
Владельцы патента RU 2318276:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Мурманский государственный технический университет (RU)
Изобретение относится к антенной технике. Техническим результатом является расширение рабочей полосы частот, снижение коэффициента стоячей волны в широком диапазоне, сохранение односторонней направленности диаграммы направленности и реализация возможностей замены нескольких широкополосных антенн одной антенной простой конструкции. Сверхширокополосная комбинированная зигзагообразная антенна содержит зигзагообразный вибратор метрового диапазона радиоволн, рефлектор, зигзагообразный вибратор дециметрового диапазона радиоволн и две двухпроводные соединительные линии. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в антенно-фидерных устройствах в качестве сверхширокополосной направленной антенны линейной поляризации для перекрытия метрового и дециметрового диапазона длин радиоволн одной антенной при применении в качестве коллективных и индивидуальных приемных антенн, антенн мини-систем кабельного телевидения загородных объектов, для цифрового эфирного телевидения, а также в радиотехнических системах различного назначения.
Известны широкодиапазонные приемные телевизионные антенны с логарифмической периодичностью параметров метрового диапазона радиоволн типа ЛПА (Онищенко И.П. Приемные телевизионные антенны - М.: ДОСААФ, 1989, стр.72-79, рис.39, 43). Эти антенны содержат по две системы вибраторных логопериодических структур и имеют сложное конструктивное исполнение и большие габариты.
Известны широкополосные антенны дециметрового диапазона радиоволн (Носов Ю.Н., Кукаев А.А., Никаноров Г.К. Мини-система кабельного телевидения для дома, коттеджа и дачи - М.: СОЛОН-Пресс, 2004, стр.37-39, рис.2.9, 2.10), представляющие собой многодиректорные протяженные системы для приема только в отдельных участках дециметрового диапазона радиоволн. Они имеют недостаточно надежную конструкцию и представляют собой сложные технические решения при реализации.
Известна всеволновая антенна «Альфа» (Носов Ю.Н., Кукаев А.А. Энциклопедия отечественных антенн - М.: «СОЛОН-Р», 2001, стр.192-198, рис.6.55). В этой антенне объединены в одну единую конструкцию две антенны «Луч» и «Каппа». Она имеет при сложном конструктивном решении и электрическом согласовании низкие параметры коэффициента усиления и коэффициента стоячей волны (КСВ) в рабочем диапазоне.
Известна зигзагообразная антенна (Пат. РФ №2089020, опубл. 27.08.1997), содержащая два основных незамкнутых витка, расположенных в одной плоскости, и два дополнительных незамкнутых витка, расположенных как в одной и той же плоскости, так и в параллельной, при этом третий и четвертый витки соединены с первым и вторым двухпроводной линией питания, что и приводит к увеличению коэффициента направленного действия, но не обеспечивает значительной широкополосности.
Недостатками известных вышеперечисленных антенн являются ограниченные полосы частот рабочих диапазонов, значительные коэффициенты стоячей волны (КСВ) и нестабильность диаграмм направленностей в рабочих диапазонах при сложных конструктивных исполнениях.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является цельносварная двойная треугольная антенна с экраном (Сидоров И.Н. Идеальный телеприем. - Санкт-Петербург: Лениздат, 1998, стр.93-96, рис.3.6 табл.3.7), содержащая полотно антенны из двух одинаковых незамкнутых треугольных рамок, расположенных в одной вертикальной плоскости одна над другой и соединенных между собой с образованием точек питания, а для улучшения направленных свойств антенны сзади расположен экран.
В этом техническом решении стороны полотна, являющиеся боковыми сторонами равнобедренных треугольников, соединенных между собой, выполнены из проводников длиной 0.275·λмакс метрового диапазона радиоволн и обеспечивают перекрытие полосой рабочих частот от 2 до 5 телевизионных каналов метрового диапазона с захватом от 1 до 8 каналов в зависимости от рабочей длины настройки антенны, дециметрового диапазона радиоволн. Использование экрана обеспечивает увеличение коэффициента антенны на 2-3 дБ и одностороннюю направленность. Такая антенна является простой, надежной, согласованной и широкополосной, но не обеспечивает непрерывную полосу перекрытия одновременно в метровом и дециметровом диапазонах длин радиоволн.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является расширение рабочей полосы частот, снижение коэффициента стоячей волны в широком диапазоне, сохранение односторонней направленности диаграммы направленности и реализация возможностей замены нескольких широкополосных антенн одной антенной простой конструкции.
Для достижения указанного технического результата в сверхширокополосной комбинированной зигзагообразной антенне, содержащей неполный зигзагообразный вибратор метрового диапазона радиоволн, состоящий из двух одинаковых незамкнутых треугольных рамок, расположенных в одной вертикальной плоскости одна над другой и соединенных друг с другом с образованием точек питания, рефлектор, выполненный в виде плоского прямоугольного экрана и расположенный позади неполного зигзагообразного вибратора и параллельно ему, дополнительно установлен неполный зигзагообразный вибратор дециметрового диапазона радиоволн, состоящий из двух одинаковых незамкнутых рамок, расположенных в одной вертикальной плоскости одна над другой и имеющих по одному основанию и две боковые стороны, причем каждая из них представляет собой ломаную линию, состоящую из четырех отрезков, длина которых соизмерима с длиной рабочих радиоволн дециметрового диапазона, две двухпроводные линии, с помощью одной из них соединены между собой незамкнутые рамки неполного зигзагообразного вибратора дециметрового диапазона радиоволн с образованием точек питания, которые с помощью другой двухпроводной линии гальванически соединены с точками питания неполного зигзагообразного вибратора метрового диапазона радиоволн, причем оба вибратора расположены параллельно друг другу и жестко соединены друг с другом и с рефлектором в верхней и нижней его частях, а плоский прямоугольный экран рефлектора дополнительно снабжен створками, расположенными под тупым углом к плоскости экрана. Тупой угол составляет 135°.
За счет технического решения по дополнению антенны зигзагообразным вибратором дециметрового диапазона радиоволн, выполнением его со сторонами в виде ломаных линий из отрезков, соизмеримых с длинами рабочих радиоволн дециметрового диапазона, гальваническим соединением зигзагообразных вибраторов метрового и дециметрового диапазонов радиоволн и выполнением рефлектора объемным удалось решить поставленную задачу с достижением указанного технического результата. Помимо этого, предлагаемая антенна одновременно работает как в метровом диапазоне, так и в дециметровом. При этом оба зигзагообразных вибратора взаимно усиливают друг друга: вибратор метрового диапазона одновременно работает в метровом диапазоне и является активным рефлектором для вибратора дециметрового диапазона, а также в совокупности с установленным позади него рефлектором обеспечивают одностороннюю направленность, повышение коэффициентов усиления и защитного действия, выравнивание КСВ, а вибратор дециметрового диапазона работает в дециметровом диапазоне и одновременно является директором для вибратора метрового диапазона. Выполнение рефлектора объемным, т.е. снабжение плоского прямоугольного экрана по его периметру створками, расположенными под углом 135° к плоскости экрана, также увеличивает коэффициенты направленного и защитного действия с выравниванием КСВ.
Предлагаемая сверхширокополосная комбинированная зигзагообразная антенна иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-8.
На фиг.1 показан общий вид антенны;
на фиг.2 - общий вид неполного зигзагообразного вибратора метрового диапазона радиоволн;
на фиг.3 - общий вид неполного зигзагообразного вибратора дециметрового диапазона радиоволн;
на фиг.4 - диаграмма направленности предлагаемой антенны в рабочем частотном диапазоне в горизонтальной плоскости;
на фиг.5 - то же, в вертикальной плоскости;
на фиг.6 - график изменения КСВ предлагаемой антенны;
на фиг.7 - график коэффициента усиления антенны;
на фиг.8 - график активного сопротивления антенны.
Сверхширокополосная комбинированная зигзагообразная антенна содержит неполный зигзагообразный вибратор 1 (фиг.1) метрового диапазона, состоящий из двух одинаковых незамкнутых треугольных рамок 2, 3 (фиг.2), расположенных в одной вертикальной плоскости одна над другой и соединенных друг с другом с образованием точек питания 4 (фиг.2). На расстоянии, равном 0,25λср, где λср - средняя длина волны дециметрового диапазона, и параллельно вибратору метрового диапазона дополнительно установлен неполный зигзагообразный вибратор 5 дециметрового диапазона (фиг.1,3). Вибратор 5 состоит из двух одинаковых незамкнутых рамок 6, 7 (фиг.1), расположенных в одной вертикальной плоскости одна над другой. Каждая из рамок 6, 7 имеет по одному основанию 8 (фиг.3) и по две одинаковые боковые стороны 9, 10, которые представляют собой ломаные линии, состоящие из четырех отрезков 11, 12, 13, 14 (фиг.3). Длина этих отрезков 11, 12, 13, 14 соизмерима с длиной рабочих радиоволн дециметрового диапазона и равна соответственно 0.25·λср, 0.5·λмин, 0.25·λср+0.5·λмин., 0.5·λср, где λмин - минимальная длина радиоволны дециметрового диапазона, λср - средняя длина радиоволны дециметрового диапазона. Причем отрезки 11, 13 расположены под малыми углами по отношению к горизонтальной оси симметрии 22 вибратора 5, а отрезки 12, 14 расположены под малыми углами к вертикальной оси симметрии 23 вибратора 5. Величина углов выбрана таким образом, чтобы длины этих отрезков 11, 12, 13, 14 были соизмеримы с длиной рабочих радиоволн дециметрового диапазона и были равны вышеприведенным размерам. Незамкнутые рамки 6, 7 неполного зигзагообразного вибратора 5 дециметрового диапазона соединены между собой двухпроводной соединительной линией 15 (фиг.3), имеющей длину 0,25λср, где λср - средняя длина радиоволны дециметрового диапазона, с образованием точек питания 16 (фиг.3). Точки питания 16 вибратора 5 соединены гальванически двухпроводной соединительной линией 17 (фиг.1) с точками питания 4 вибратора 1. Длина двухпроводной соединительной линии 17 составляет 0,25λср, где λср - средняя длина радиоволны дециметрового диапазона. Вибратор 1 находится от плоского экрана 19 рефлектора 18 (фиг.1) на расстоянии 0,18λмакс, где λмакс - максимальная длина радиоволны дециметрового диапазона. Плоский экран 19 рефлектора 18 снабжен по своему периметру створками 20 (фиг.1). Створки 20 расположены под углом 135° по отношению к плоскому экрану 19. По высоте створки 20 доходят до плоскости расположения вибратора 1. В точках нулевого потенциала (не обозначены) вибраторов 1 и 5 с помощью стоек 21 (фиг.1) вибраторы 1,5 приварены к экрану 19 в его верхней и нижней частях. Плоский экран 19 и створки 20 рефлектора 18 выполнены из металлических стержней или трубок (не обозначены), расположенных параллельно и на расстоянии друг от друга не более 0,1λ дециметрового диапазона.
Работает антенна следующим образом.
В метровом диапазоне радиоволн неполный зигзагообразный вибратор 1 метрового диапазона работает в режиме своеобразной синфазной решетки. Усложненный рефлектор 18 увеличивает коэффициенты направленного и защитного действия с выравниванием коэффициента стоячей волны (КСВ), а рамки 6, 7 дополнительного зигзагообразного вибратора 5 дециметрового диапазона выполняют функции директоров для вибратора 1 метрового диапазона.
В дециметровом диапазоне радиоволн отрезки 11, 13 боковых сторон 9, 10 обеих рамок 6, 7 вибратора 5, расположенные под малыми углами к горизонтальной оси симметрии 22 вибратора 5, функционируют как горизонтальные вибраторы, а отрезки 12, 14 боковых сторон 9, 10 обеих рамок 6, 7, расположенные под малыми углами к вертикальной оси симметрии 23 вибратора 5, представляют собой в парах своеобразные соединительные экспоненциальные двухпроводные линии, в которых токи текут в противофазах (на фиг.3 не показаны), что при работе всех элементов вибратора 5 в комплексе повторяет режим логопериодической и зигзагообразной антенны горизонтальной поляризации.
Вибратор 1 при работе комбинированной антенны в дециметровом диапазоне радиоволн является активным рефлектором и в совокупности с пассивным рефлектором 18 обеспечивают одностороннюю направленность, повышение коэффициентов усиления и защитного действия, выравнивание коэффициента стоячей волны (КСВ).
Высокую эффективность предлагаемой в качестве изобретения антенны подтверждают следующие графики:
графики на фиг.4, 5 свидетельствуют о хорошей односторонней направленности антенны как в горизонтальной плоскости, так и в вертикальной плоскости во всем рабочем диапазоне длин радиоволн;
график, изображенный на фиг.6, показывает, что КСВ в метровом и дециметровом телевизионных диапазонах длин радиоволн меньше 2 и имеет ярко-выраженное снижение КСВ в дециметровом диапазоне;
график, изображенный на фиг.7, свидетельствует о равномерности коэффициента усиления антенны во всем рабочем диапазоне с некоторым увеличением в высокочастотной части дециметрового диапазона длин радиоволн;
график на фиг.8 показывает равномерность величины активного сопротивления антенны во всем рабочем диапазоне длин радиоволн.
Сверхширокополосная комбинированная зигзагообразная антенна промышленно применима по замене одной антенной не менее трех одновременно используемых широкополосных промышленных антенн.
1. Сверхширокополосная комбинированная зигзагообразная антенна, содержащая неполный зигзагообразный вибратор метрового диапазона радиоволн, состоящий из двух одинаковых незамкнутых треугольных рамок, расположенных в одной вертикальной плоскости одна над другой и соединенных друг с другом с образованием точек питания, рефлектор, выполненный в виде плоского прямоугольного экрана и расположенный позади неполного зигзагообразного вибратора и параллельно ему, отличающаяся тем, что дополнительно установлен неполный зигзагообразный вибратор дециметрового диапазона радиоволн, состоящий из двух одинаковых незамкнутых рамок, расположенных в одной вертикальной плоскости одна над другой и имеющих по одному основанию и две боковые стороны, причем каждая из них представляет собой ломаную линию, состоящую из четырех отрезков, длина которых соизмерима с длиной рабочих радиоволн дециметрового диапазона, две двухпроводные соединительные линии, с помощью одной из них соединены между собой незамкнутые рамки неполного зигзагообразного вибратора дециметрового диапазона радиоволн с образованием точек питания, которые с помощью другой двухпроводной соединительной линии гальванически соединены с точками питания неполного зигзагообразного вибратора метрового диапазона радиоволн, причем оба вибратора расположены параллельно друг другу и жестко соединены друг с другом и с рефлектором в верхней и нижней его частях, а плоский прямоугольный экран рефлектора дополнительно снабжен створками, расположенными под тупым углом к плоскости экрана.
2. Сверхширокополосная комбинированная зигзагообразная антенна по п.1, отличающаяся тем, что тупой угол расположения створок рефлектора составляет 135°.
3. Сверхширокополосная комбинированная зигзагообразная антенна по п.1, отличающаяся тем, что соединение неполного зигзагообразного вибратора метрового диапазона с неполным зигзагообразным вибратором дециметрового диапазона между собой и с рефлектором осуществлено с помощью стоек.
