ЗИГЗАГООБРАЗНАЯ АНТЕННА
ZIG-ZAG AERIAL

Изобретение предназначено для использования в составе радиотехнических устройств, для телевидения, радиовещания и радиосвязи в ОВЧ и УВЧ диапазонах.
Известна антенна типа «волновой канал» [1], состоящая из полуволнового вибратора и двух или нескольких пассивных элементов, конструктивно стоящих за вибратором, - рефлектора длиной на 5% больше, чем вибратор, и перед ним - директора, как правило, меньшего в процентном отношении по длине. Однако при этом антенна будет иметь значительные габариты, что является ее недостатком.
Также известна антенна типа «зигзаг» [2], состоящая из двух витков провода в виде квадратов, обращенных друг к другу вершинами и возбуждаемыми синфазно.
Обе антенны обеспечивают достаточно высокую направленность в одной поляризации.
Целью изобретения является создание антенного элемента повышенной направленности.
Предлагается зигзагообразная антенна, состоящая из первой, второй и третьей пар накрест лежащих отрезков провода, имеющих длину, равную половине длины волны, лежащих в одной плоскости и расположенных симметрично относительно основной оси, проходящей через точки их пересечения, соединенных последовательно одна за другой, и разветвляющейся на два равных отрезка двухпроводной линии питания, подключаемой в центрах двух накрест лежащих отрезков проводов второй пары, отрезки линии питания, в свою очередь, могут различаться по длине на четверть длины волны (фиг.1).
Также возможны различные варианты зигзагообразных антенн на основе предлагаемого антенного элемента (фиг.1), когда параллельно плоскости первой, второй и третьей пар накрест лежащих отрезков провода, вдоль оси, перпендикулярной основной оси и проходящей через ее середину и перпендикулярной плоскости размещения проводов, расположен рефлектор 15, состоящий из четвертой, пятой и шестой пар накрест лежащих отрезков провода, имеющих на несколько процентов большую, чем первая вторая и третья пара, длину, причем концы проводов четвертой пары рефлектора соединены между собой горизонтальным отрезком провода, так же как и концы проводов шестой пары (фиг.2).
Которая, в свою очередь, дополнена параллельной плоскости первой, второй и третьей пар, лежащей перед ней, седьмой, восьмой и девятой парой накрест лежащих отрезков провода 16, имеющих на несколько процентов меньшую, чем первая, вторая и третья пара, длину (фиг.2*).
Линейные размеры четвертой, пятой, шестой пары накрест лежащих отрезков по отношению к первой, второй, третьей, а также к седьмой, восьмой и девятой паре накрест лежащих отрезков, как и расстояние между ними, изменяются по логарифмическому закону (фиг.3).
Параллельно первой, второй и третьей парам накрест лежащих отрезков провода может устанавливаться плоский проводящий экран (рефлектор) 19, а разветвляющиеся отрезки линии питания, в свою очередь, могут быть равными или отличаться по длине на четверть длины волны (фиг.4).
На некотором расстоянии от зигзагообразной антенны 17, 18, в одной плоскости с ней, справа или слева могут располагаться аналогичные ей зигзагообразные антенны 17*, 18* (фиг.5, 6).
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
- фиг.1 - зигзагообразная антенна из первой, второй и третьей пар накрест лежащих отрезков;
- фиг.2 - зигзагооборазная антенна с рефлектором, состоящим из четвертой, пятой и шестой пар накрест лежащих отрезков;
- фиг.2* - зигзагообразная антенна, дополненная седьмой, восьмой и девятой парой накрест лежащих отрезков;
- фиг.3 - зигзагообразная антенна с линейными размерами, изменяющимися по логарифмическому закону;
- фиг.4 - зигзагообразная антенна с плоским проводящим экраном (рефлектором);
- фиг.5, 6 - комбинированные зигзагообразные антенны (антенные решетки).
Зигзагообразная антенна состоит из первой 12-9, 11-13, второй 13-2, 9-6 и третьей 6-4, 2-5 пар накрест лежащих отрезков провода (фиг.1) и разветвляющейся на два отрезка двухпроводной линии питания (на чертеже не показана). Пары накрест лежащих отрезков провода 12-9, 11-13 и 13-2, 9-6 соединены в точках 13 и 9, пары 13-2, 9-6 и 6-4, 2-5 в точках 6 и 2 (фиг.1) лежат в одной плоскости и расположены симметрично относительно основной оси, проходящей через точки их пересечения 10, 7-8, 14-1, 3. Отрезки линии питания подключаются в точках 7-8 и 14-1, длины отрезков могут различаться на четверть длины волны. Отрезки провода 12-9 и 11-13, 13-2 и 9-6, 6-4 и 2-5 имеют длину, равную половине длины волны.
Зигзагообразная антенна работает следующим образом. При подключении высокочастотного генератора к линии питания (на чертеже не показан) в первой, второй и третьей паре накрест лежащих отрезков провода 12-9, 11-13 и 13-2, 9-6 и 6-4, 2-5 образуется стоячая волна тока. Ток в точках 12, 11, 13, 9, 6, 2, 5, 4 будет равен нулю, что соответствует его узлам. Если частота колебания такова, что в отрезке провода укладывается четверть длины волны, то точки 10, 7-8, 14-1, 3 будут соответствовать пучности тока. Примерный вид распределения тока вдоль проводов витка показан на фиг.1 пунктирной линией.
Антенный элемент (фиг.1) можно рассматривать как линейную эквидистантную решетку, образованную парами сегментов 5-3, 3-4, 6-3, 3-2, 6-7, 1-2, 13-14, 8-9, 13-10, 10-9 и 12-10, 10-11. Известно, что вектор напряженности поля, создаваемой в некоторой точке пространства линейным проводником, параллелен этому проводнику. Очевидно, что в этом случае векторы напряженности поля элементов 12-10-11, 13-10-9 и 5-3-4, 6-3-2 всегда будут сонаправлены друг другу и ортогональны основной диагонали 10-3.
Поляризация поля элементов 6-7-1-2 и 13-14-8-9 зависит от способа подключения к ним линии питания. Если стороны 13-2 и 9-6 подключены к отрезкам двухпроводной линии питания таким образом, что ток в них течет в направлении от 13 к 2 и от 6 к 9 соответственно (фиг.1), то вектора напряженности поля указанных отрезков будут сонаправлены векторам поля 12-10-11, 13-10-9 и 5-3-4, 6-3-2. В результате антенный элемент будет эквивалентен синфазной решетке из шести симметричных вибраторов, имеющей высокую направленность.
Если ток направлен от 13 к 2 и от 9 к 6, векторы напряженности поля элементов 6-7-1-2 и 13-14-8-9 будут направлены вдоль основной диагонали 10-3. Таким образом, в результирующей решетке пары элементов будут работать в ортогональных поляризациях при равномерной диаграмме направленности в одной плоскости, с высокой направленностью в ортогональной плоскости (фиг.7, 8).
Если питание к одной из пар точек 7-8 или 14-1 будет подводиться через отрезок двухпроводной линии в четверть длины волны, то ток в проводах 13-2, 9-6 будет сдвинут по фазе относительно друг друга на 90 градусов. Такой же фазовый сдвиг будут иметь ортогональные составляющие результирующего вектора напряженности поля. В результате антенный элемент (фиг.1) будет иметь эллиптическую поляризацию.
В плоскости, проходящей через диагональ 10-3 и перпендикулярной антенному элементу, максимумы диаграммы направленности антенного элемента будут расположены на оси, ортогональной основной диагонали 10-3, по обе стороны от антенного элемента. Сама диаграмма направленности будет иметь вид восьмерки (фиг.9). В плоскости, ортогональной и антенному элементу, и диагонали 10-3, диаграмма направленности по вертикальной поляризации будет незначительна, по горизонтальной поляризации - иметь вид восьмерки (фиг.10).
При использовании рефлектора, отличающегося по величине от антенного элемента, в процентном отношении, в большую сторону (фиг.2), или дополнительного, пассивного антенного элемента, отличающегося по величине в меньшую сторону (фиг.2*), а также плоского проводящего экрана (фиг.4), установленных соосно друг с другом один за другим, на расстоянии около четверти длины волны вдоль оси, перпендикулярной общей диагонали и проходящей через ее середину, антенна эквивалентна по принципу действия линейной решетке осевого излучения.
Требуемое соотношение фаз в этом случае достигается либо за счет линии питания, либо за счет выбора размеров пассивных элементов. В любом случае достигается высокая направленность излучения и устраняется один из максимумов излучения.
Размеры антенных элементов, а также расстояния между ними от одного антенного элемента к другому могут изменяться по логарифмическому закону (фиг.3), в результате зигзагообразная антенна, сохраняя высокую направленность, работает в широкой полосе частот.
В случае когда в одной плоскости с зигзагообразной антенной 17, 18 на некотором расстоянии от нее справа или слева расположена еще одна, аналогичная ей, зигзагообразная антенна 17*, 18* соответственно (фиг.5, 6), антенна эквивалентна 2-элементной синфазной антенной решетке. Требуемое соотношение фаз возбуждаемых элементов достигается за счет равной длины отрезков общей линии питания.
Диаграммы направленности зигзагообразной антенны, полученные в результате моделирования, приведены в приложении:
- фиг.7 - диаграмма направленности в горизонтальной плоскости зигзагообразной антенны из первой, второй и третьей пар накрест лежащих отрезков;
- фиг.8 - диаграмма направленности в вертикальной плоскости зигзагообразной антенны из первой, второй и третьей пар накрест лежащих отрезков;
- фиг.9 - диаграмма направленности в горизонтальной плоскости зигзагообразной антенны из первой, второй и третьей пар накрест лежащих отрезков с линией питания, состоящей из двух отрезков, различающихся по длине на четверть длины волны горизонтальной поляризации;
- фиг.10 - диаграмма направленности в вертикальной плоскости зигзагообразной антенны из первой, второй и третьей пар накрест лежащих отрезков с линией питания, состоящей из двух отрезков, различающихся по длине на четверть длины волны горизонтальной поляризации;
- фиг.11 - диаграмма направленности в горизонтальной плоскости зигзагообразной антенны с рефлектором, состоящим из четвертой, пятой и шестой пар накрест лежащих отрезков горизонтальной поляризации;
- фиг.12 - диаграмма направленности в вертикальной плоскости зигзагообразной антенны с рефлектором, состоящим из четвертой, пятой и шестой пар накрест лежащих отрезков горизонтальной поляризации;
- фиг.13 - диаграмма направленности в горизонтальной плоскости зигзагообразной антенны, дополненной седьмой, восьмой и девятой парой накрест лежащих отрезков горизонтальной поляризации;
- фиг.14 - диаграмма направленности в вертикальной плоскости зигзагообразной антенны, дополненной седьмой, восьмой и девятой парой накрест лежащих отрезков горизонтальной поляризации;
- фиг.15 - диаграмма направленности в горизонтальной плоскости комбинированной зигзагообразной антенны 17, 17* горизонтальной поляризации;
- фиг.16 - диаграмма направленности в вертикальной плоскости комбинированной зигзагообразной антенны 17, 17* горизонтальной поляризации;
- фиг.17 - диаграмма направленности в горизонтальной плоскости комбинированной зигзагообразной антенны 18, 18* горизонтальной поляризации;
- фиг.18 - диаграмма направленности в вертикальной плоскости комбинированной зигзагообразной антенны 18, 18* горизонтальной поляризации.
Здесь горизонтальной является плоскость, ортогональная основной диагонали, вертикальной - плоскость, проходящая через эту диагональ, но ортогональная плоскости антенного элемента.
Моделирование проводилось на центральной частоте 1000 МГц. Для моделирования использовалась программа MMANA-GAL 1.2.0.20.
Таким образом, зигзагообразная антенна является антенным элементом повышенной направленности в горизонтальной поляризации.
Литература
1. Ротхаммель К. Антенны. Пер. с нем. - М.: ЭНЕРГИЯ, 1969 г., стр.126-162.
2. Родионов В.М. Линии передачи и антенны УКВ. - М.: ЭНЕРГИЯ, 1977 г., стр.73-78.