ДВОЙНАЯ ЗИГЗАГООБРАЗНАЯ АНТЕННА
DOUBLE ZIGZAG ANTENNA

Изобретение предназначено для использования в составе радиотехнических устройств для телевидения, радиовещания и радиосвязи в ОВЧ и УВЧ диапазонах.
Известна антенна типа волновой канал (трехэлементная) [1], состоящая из вибратора, одного директора и одного рефлектора, расположенных в одной плоскости один за другим на одной оси, проходящей через их середины.
Также известна проволочная антенна [2], состоящая из двух витков провода в виде квадратов, расположенных в одной плоскости вдоль общей диагонали по обе ее стороны в виде двух ветвей.
Обе антенны обеспечивают достаточно высокую направленность в одной поляризации.
Целью изобретения является создание антенного элемента повышенной направленности.
Предлагается двойная зигзагообразная антенна, состоящая из первой, второй, третьей, четвертой и пятой пар накрестлежащих отрезков провода, каждый из которых имеет 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, причем первая и последняя пары накрестлежащих отрезков короткозамкнуты в наиболее отдаленных от центра точках, а также двухпроводной линии питания, подключаемой в центрах двух накрестлежащих отрезков проводов центральной пары (фиг.1).
Также возможны различные варианты двойных зигзагооборазных антенн на основе предлагаемого антенного элемента (фиг.1), когда параллельно плоскости первой, второй, третьей, четвертой и пятой пар накрестлежащих отрезков провода, вдоль оси, перпендикулярной основной оси и проходящей через ее середину и перпендикулярной плоскости размещения проводов, расположен рефлектор, состоящий из шестой, седьмой, восьмой, девятой и десятой пар накрестлежащих отрезков провода, имеющих размер, несколько больший, чем первая, вторая, третья, четвертая и пятая пара, причем концы проводов шестой, так же как и десятой, пар рефлектора соединены между собой горизонтальными отрезками провода (фиг.2).
В свою очередь, двойная зигзагообразная антенна с рефлектором может быть дополнена параллельной плоскости первой, второй, третьей, четвертой и пятой пар, расположенной перед ней, одиннадцатой, двенадцатой, тринадцатой, четырнадцатой и пятнадцатой парой накрестлежащих отрезков провода, имеющих на несколько процентов меньшую, чем первая, вторая и третья, четвертая и пятая пара, длину (фиг.3).
Линейные размеры шестой, седьмой, восьмой, девятой и десятой пары накрестлежащих отрезков по отношению к первой, второй, третьей, четвертой, пятой, а также к одиннадцатой, двенадцатой, тринадцатой, четырнадцатой и пятнадцатой паре накрестлежащих отрезков, как и расстояние между ними, могут изменяться по логарифмическому закону.
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
- фиг.1 - двойная зигзагообразная антенна из первой, второй третьей, четвертой и пятой пар накрестлежащих отрезков;
- фиг.2 - двойная зигзагообразная антенна с рефлектором, состоящим из шестой, седьмой, восьмой, девятой и десятой пар накрестлежащих отрезков;
- фиг.3 - двойная зигзагообразная антенна, дополненная одиннадцатой, двенадцатой, тринадцатой, четырнадцатой и пятнадцатой парой накрестлежащих отрезков.
Двойная зигзагообразная антенна состоит из первой 15-12, 14-16, второй 12-17, 16-11, третьей 17-2, 11-8, четвертой 2-7, 8-3 и пятой 7-5, 3-6 пар накрестлежащих отрезков провода (фиг.1) и разветвляющейся на два равных по длине отрезка двухпроводной линии питания (на чертеже не показана). Пары накрестлежащих отрезков провода 15-12, 14-16 и 12-17, 16-11 соединены последовательно соответственно в точках 12 и 16, пары 12-17, 16-11 и 17-2, 11-8 - в точках 17 и 11, пары 17-2, 11-8 и 2-7, 8-3 - в точках 2 и 8, пары 2-7, 8-3 и 7-5, 3-6 - в точках 7 и 3 (фиг.1), лежат в одной плоскости и расположены симметрично относительно оси, проходящей через точки 13-4 - центры пар накрестлежащих отрезков. Отрезки провода 15-12 и 14-16, 12-17 и 16-11, 17-2 и 11-8, 2-7 и 8-3, 7-5 и 3-6 имеют длину, равную половине длины волны. Причем первая 15-12, 14-16 и пятая 7-5, 3-6 пары накрестлежащих отрезков короткозамкнуты в наиболее отдаленных от центра точках 13 и 4 соответственно.
Двойная зигзагообразная антенна работает следующим образом. При подключении высокочастотного генератора к линии питания (на чертеже не показан) в первой, второй и третьей, четвертой и пятой паре накрестлежащих отрезков провода 15-12 и 14-16, 12-17 и 16-11, 17-2 и 11-8, 2-7 и 8-3, 7-5 и 3-6 образуется стоячая волна тока. Ток на разомкнутых концах проводов в точках 15, 14, 6, 5 будет равен нулю, что соответствует его узлам. Если частота колебания генератора такова, что в прямолинейном отрезке пары проводов укладывается половина длины волны, то в середине отрезков точки 13, 19, 9-10, 18-1, 20, 4 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 6-4, 4-5, 7-4, 4-3, 7-20, 20-3, 8-20, 20-2, 8-9, 1-2, 17-18, 10-11, 17-19, 19-11, 16-19, 19-12, 16-13, 13-12, 15-13, 13-14. Известно, что вектор напряженности поля, создаваемой в некоторой точке пространства линейным проводником, параллелен этому проводнику. Очевидно, что в этом случае векторы напряженности поля элементов 15-13-14, 16-13-12, 16-19-12, 19-19-11 и 8-20-2, 7-20-3, 7-4-3, 6-4-5 всегда будут сонаправлены друг с другом и ортогональны основной диагонали 13-4.
Поляризация поля элементов 8-9-1-2 и 17-18-10-11 зависит от способа подключения к ним линии питания. Стороны 17-2 и 11-8 подключены к отрезкам двухпроводной линии питания таким образом, что ток в них течет в направлении от 17 к 2 и от 8 к 11 соответственно (фиг.1), то вектора напряженности поля указанных отрезков будут сонаправлены векторам поля 15-13-14, 16-13-12, 16-19-12, 19-19-11 и 8-20-2, 7-20-3, 7-4-3, 6-4-5. В результате антенный элемент будет эквивалентен синфазной решетке из десяти симметричных вибраторов, имеющей высокую направленность.
В плоскости, проходящей через диагональ 13-4 и перпендикулярной антенному элементу, максимумы диаграммы направленности антенного элемента будут расположены на оси, ортогональной основной диагонали 13-4, по обе стороны от антенного элемента. Диаграмма направленности будет иметь вид восьмерки (фиг.4). В плоскости, ортогональной и антенному элементу, и диагонали 13-4, диаграмма направленности по вертикальной поляризации будет незначительна, по горизонтальной поляризации - иметь вид восьмерки (фиг.5).
При использовании рефлектора, размеры которого на несколько процентов больше, чем двойная зигзагообразная антенна (фиг.2), или дополнительного, пассивного антенного элемента, отличающегося по величине в меньшую сторону (фиг.3), 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 линейной решетке осевого излучения типа волновой канал.
Если размеры антенных элементов, а также расстояния между ними от одного антенного элемента к другому изменяются по логарифмическому закону, то в результате зигзагообразная антенна будет и высоконаправленной, и способной работать в широкой полосе частот.
Диаграммы направленности двойной зигзагообразной антенны, полученные в результате моделирования при синфазном питании, приведены в приложении:
- фиг.4 - диаграмма направленности в Горизонтальной плоскости, перпендикулярной оси 13-4 и плоскости двойной зигзагообразной антенны из первой, второй, третьей, четвертой и пятой пар накрестлежащих отрезков;
- фиг.5 - диаграмма направленности в вертикальной плоскости, проходящей через ось 13-4 перпендикулярно плоскости двойной зигзагообразной антенны из первой, второй, третьей, четвертой и пятой пар накрестлежащих отрезков;
- фиг.6 - диаграмма направленности в горизонтальной плоскости двойной зигзагообразной антенны с рефлектором, состоящим из шестой, седьмой, восьмой, девятой и десятой пар 21-24, 22-23, 24-25, 23-26, 25-28, 26-27, 29-29, 27-30, 29-32, 30-31 накрестлежащих отрезков горизонтальной поляризации;
- фиг.7 - диаграмма направленности в вертикальной плоскости двойной зигзагообразной антенны с рефлектором, состоящим из шестой, седьмой, восьмой, девятой и десятой пар 21-24, 22-23, 24-25, 23-26, 25-28, 26-27, 29-29, 27-30, 29-32, 30-31 накрестлежащих отрезков горизонтальной поляризации;
- фиг.8 - диаграмма направленности в горизонтальной плоскости двойной зигзагообразной антенны, дополненной одиннадцатой, двенадцатой тринадцатой, четырнадцатой и пятнадцатой парой 33-36, 34-35, 36-37, 35-38, 37-40, 38-39, 40-41, 39-42, 41-44, 42-43 накрестлежащих отрезков горизонтальной поляризации;
- фиг.9 - диаграмма направленности в вертикальной плоскости двойной зигзагообразной антенны, дополненной одиннадцатой, двенадцатой, тринадцатой, четырнадцатой и пятнадцатой парой 33-36, 34-35, 36-37, 35-38, 37-40, 38-39, 40-41, 39-42, 41-44, 42-43 накрестлежащих отрезков горизонтальной поляризации;
Здесь горизонтальной является плоскость, ортогональная основной диагонали, вертикальной - плоскость, проходящая через эту диагональ, но ортогональная плоскости антенного элемента.
Результаты КНД, полученные при моделировании, больше, чем у проволочной антенны и антенны типа волновой канал.
Моделирование проводилось на центральной частоте 1000 МГц. Для моделирования использовалась программа MMANA-GAL 1.2.0.20.
Таким образом, двойная зигзагообразная антенна является антенным элементом повышенной направленности при горизонтальной поляризации поля излучения.
Литература
1. Ротхаммель К. Антенны.: Пер. с нем. - М.: ЭНЕРГИЯ, 1969. - с.219-220.
2. Проволочная антенна: Патент RU 2189093, МПК H01Q 21/24. / А.М.Сомов, Е.А.Шаповалов; заявка 2000109500 от 19.04.2000 г.; опубл. 10.09.2002 г.