Широкополосный антенный модуль
BROADBAND ANTENNA MODULE

Изобретение относится к антенной технике и касается конструкции зигзагообразного излучателя, являющегося широкополосным антенным модулем, предназначенным для применения, как в качестве отдельной диапазонной антенны, так и для создания сложных антенных систем. Изобретение может быть использовано, преимущественно в качестве приемных антенн эфирного цифрового телевидения, а также в других системах радио-телекоммуникаций.
Актуальность предлагаемой разработки для преимущественного использования в системах эфирного телевидения обусловлена всевозрастающими требованиями к расширению парка наружных антенн для приема цифровых мультиплексов, в том числе и в плане совмещения с работой спутниковых систем в одной конструктивной единице для использования единой кабельной сети снижения. Это позволяет в два раза уменьшить использование кабельной продукции и упростить решение компоновочных задач на объекте установки за счет сокращения числа монтажно-крепежных узлов.
Важным параметром любой антенны является ее широкополосность, то есть возможность работы в нескольких частотных диапазонах. Обычно для работы в широком диапазоне используют конструкции из нескольких антенн. Каждая антенна такой конструкции хорошо согласуется с фидером и имеет приемлемый коэффициент усиления, но только в определенном диапазоне частот. В свою очередь комбинация антенн и согласующих устройств в комплексе приводят к усложнению конструкции, снижению технологичности изготовления и надежности антенных систем.
Известна двухдиапазонная директорная антенна (Пат. РФ №2533096, опубл. 10.06.2015), содержащая параллельные друг другу первый и второй активные диполи, расположенные в непосредственной близости друг с другом и лежащие в одной плоскости с рефлекторами и директорами: два рефлектора различной длины, четыре различных по длине директора. Длина первого и второго активного диполя составляет половину средней длины волны низкочастотного и высокочастотного диапазонов. Первый активный диполь позиционирован со стороны рефлекторов и гальванически соединен параллельно со вторым активным диполем, а для обеспечения направленного излучения антенны и согласования ее с питающим фидером, фидер смоделирован в виде свитой вокруг оси двухпроводной линии без перехода на классический коаксиальный кабель.
Основным недостатком такой системы является дискретность полосы пропускания, громоздкость конструкции, повышенная материалоемкость и усложненная коммутация питания.
Более приемлемыми являются конструкции семейства антенн (Пат. РФ №173639, опубл. 04.09.2017) радиотелевизионная приемопередающая антенна (Пат. РФ №126201, опубл. 20.03.2013), содержащие двойной треугольный вибратор, включающий по крайней мере, пару расположенных в одной плоскости и соединенных между собой незамкнутых рамок с присоединенным к одной из точек соединения рамок дополнительным полувибратором, проведенным параллельно и рядом с противоположной стороной рамки до места крепления вибратора с устройством узла питания в зоне нулевого потенциала.
Известный двойной треугольный вибратор, являющийся версией широко используемых зигзагообразных антенн для диапазона метровых длин радиоволн в скелетном исполнении, с укорочением используемых длин радиоволн и расширении полосы частот требует более корректного исполнения антенного полотна и подключения питания. Трубочное исполнение вибратора для дециметрового диапазона, наиболее полно отвечающее этим требованиям, делает технологически затрудненной прокладку во внутреннем канале таких полотен коаксиальных кабелей к точкам питания через угол разворота 90-135 градусов. Технические решения устройств по упомянутым патентам позволяют обойти технологические трудности. Но, недостатком таких антенн становится исключение из работы активной зоны антенны на участке протяженности дополнительного полувибратора, так как он в режиме двухпроводной линии блокирует этот участок по излучению, что снижает коэффициент усиления антенны и искажает диаграмму направленности с отклонением от ее оси симметрии. С увеличением частоты в рабочем диапазоне длин радиоволн ухудшение параметров увеличивается.
Прототипом предлагаемого изобретения является двойная треугольная антенна («Все об антеннах»: Справочник / Сост. В.И. Назаров, В.И. Рыженко - М.: Издательство Оникс, 2007, стр. 80-81, рис. 35), состоящая из равнобедренных треугольных незамкнутых рамок, расположенных в одной плоскости вдоль общей оси и соединенных между собой разомкнутыми углами с образованием точек питания. Коаксиальный кабель питания вводится в точке нулевого потенциала и прокладывается до точек питания внутри одной из трубок полотна. Экран кабеля присоединяется к одной трубке, а жила кабеля - к противоположной трубке. Такая конструкция антенны обеспечивает с удовлетворительным согласованием широкую полосу рабочих частот при достаточно высоком коэффициенте усиления. В диапазоне частот эфирного телевидения, где преимущественно для цифровых мультиплексов используется дециметровый диапазон длин волн, полотна антенн зачастую изготавливаются из металлических трубок и обеспечение прокладки коаксиального кабеля с запредельными от норм радиусами изгиба и способы их пропуска в каналах трубок не достаточно технологичны. Сами полотна антенн, при незначительных размерах в дециметровом диапазоне вибраторов, затрудняют их крепление точками нулевого потенциала к трубостойкам без внесения искажений в характеристики антенных систем. Индивидуальное крепление полотна за нижнюю часть с устройством крепежа в нулевой точке основания антенны в разы снижает ее механическую надежность, особенно при наружной установке.
Таким образом, выбранная в качестве прототипа двойная треугольная антенна в дециметровом диапазоне характеризуется недостаточной жесткостью конструкции и неудобством крепления при размещении на объектах, сложной технологией прокладки коаксиальной кабельной линии питания при обеспечении симметрирования и нарушением технологических радиусов изгиба используемой кабельной продукции, усложненной технологией изготовления при массовом производстве.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в получении широкополосного антенного модуля, характеризующегося повышенной механической жесткостью и упрощенной технологией изготовления, имеющего конструкцию, обеспечивающую устойчивое положение проводников в полотне излучателя и устойчивое крепление полотна при размещении на объектах.
Технический результат изобретения достигается использованием широкополосного излучателя в виде треугольных незамкнутых рамок, расположенных в одной плоскости вдоль общей оси и соединенных между собой разомкнутыми углами с образованием точек питания при повышении механической жесткости оригинальной реализацией конструкции при не стандартном использовании функций активных и введенных пассивных элементов, без ухудшения электрических характеристик.
макс
макс
макс
макс
Достижение технического результата обеспечивается тем, что в известной антенне в виде двух равнобедренных треугольных незамкнутых рамок, расположенных в одной плоскости вдоль общей оси и соединенных между собой разомкнутыми углами с образованием точек питания, в первой треугольной рамке боковые стороны выполнены трубчатыми, с диаметрами 0,015λ, которые, проходя через точки питания, вырождаются в несущие проводники двухпроводной линии механически зафиксированной на основание второй треугольной рамки. Такое не стандартное техническое решение составных активных элементов зигзагообразных антенн на базе введения пассивной несущей двухпроводной трубчатой линии с диаметрами проводников идентичных проводникам сторон первой рамки, 0,015λ, обеспечивает максимальную конструктивную жесткость модуля. Разнос по центрам проводников двухпроводной линии, равный 2 диаметрам трубчатых проводников, при гальваническом соединении с основанием второй треугольной рамки, предусматривает контактное введение между трубчатыми проводниками трубчатого элемента идентичного диаметра, фиксирующего ширину и длину двухпроводной линии на уровне 0,25 λ, для упрощения технологии изготовления и обеспечивает реализацию устройства, для крепления модуля в точке нулевого потенциала, повышающего устойчивость крепления полотна при размещении на объекте. Задача создания второй треугольной незамкнутой рамки, расположенной в одной плоскости вдоль общей оси, для упрощения технологии изготовления полотна со снижением материалоемкости, весовых и ветровых нагрузок решается соединением концов основания с общими точками питания для воссоздания электрических цепей проводниками уменьшенного диаметра до 0,015λ. Технологичное подключение точек питания к коаксиальному кабелю осуществляется путем его прокладки без изгибов внутри одного из трубчатых проводников с входом в области точки нулевого потенциала и выходом в месте точки питания с подключением к ней экранирующего проводника кабеля, а к противоположной точке его центрального проводника.
макс
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что в классическую зигзагообразную антенну в виде системы активных элементов введен пассивный элемент в виде двухпроводной линии длиной 0,25 λ, который не изменяет электрические характеристики антенны.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что проводники двухпроводной линии выполнены трубчатыми, обеспечивающими прокладку коаксиального кабеля питания к точкам питания модуля по прямому, самому короткому пути.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что проводники двухпроводной линии выполнены трубчатыми, обеспечивающими экранируемую прокладку коаксиального кабеля питания к точкам питания модуля и реализацию симметричного питания.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что диаметры проводников введенной двухпроводной линии идентичны диаметрам проводников сторон первой треугольной рамки, что упрощает технологию изготовления комбинированной конструкции единым комплектующим устройством.
макс
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что диаметры проводников введенной двухпроводной линии идентичны диаметрам проводников сторон первой треугольной рамки, то есть с увеличением до 0,015λ, что обеспечивает их использование в качестве основного несущего элемента до устройства крепления модуля в точке нулевого потенциала и выполнение надежного устройства крепежа.
макс
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что диаметры проводников сторон второй треугольной рамки уменьшены до 0,005λ, что снижает весовые и ветровые нагрузки.
макс
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что диаметры проводников сторон второй треугольной рамки уменьшены до 0,005λ, что облегчает технологию соединения этих проводников с точками питания и основанием второй треугольной рамки.
Сочетание отличительных признаков и свойств как в заявленном устройстве из технической, научной литературы и патентной документации по зигзагообразным антеннам и их аналогам не выявлено, поэтому оно соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
Промышленная применимость заявленного технического решения усматривается в сравнительной простоте изготовления, тиражирования и эксплуатации, в высоких электрических показателях, как в виде самостоятельной антенны, так и в составе сложных антенных устройств, в возможности использования на промышленной основе, конкурентоспособном уровне и перспективой версий дальнейшего развития.
Предлагаемый широкополосный антенный модуль иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-5.
На фиг. 1 приведен общий вид широкополосного антенного модуля, на фиг. 2 приведены графики изменения коэффициента согласования в рабочем диапазоне, на фиг. 3 - графики изменения коэффициентов усиления и защитного действия в рабочем диапазоне, на фиг. 4 - диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскости с основными параметрами на контрольных частотах рабочего диапазона, на фиг. 5 представлена фотография опытного образца для дециметрового диапазона телевидения.
макс
макс
макс
макс
макс
макс
макс
Широкополосный антенный модуль (фиг. 1) содержит две равнобедренные треугольные незамкнутые рамки 1 и 2, расположенные в одной плоскости вдоль общей оси А-Б и соединенные между собой разомкнутыми углами с образованием общих точек питания 3 и 4. В первой треугольной рамке 1 основание 5 протяженностью 0,4λ и боковые стороны 6 протяженностью 0,3λ выполнены трубчатыми, с диаметром 0,015λ. Они проходят через точки питания 3 и 4 с вырождением в несущие проводники двухпроводной линии 7 протяженностью 0,25λ. Разнос по центрам ее проводников, равен двум их диаметрам, гальванически соединен и механически зафиксирован на основании 8 второй треугольной рамки 2. Протяженность основания 8-0,4λ, а диаметр - 0,015λ. Стороны 9 второй треугольной рамки 2 выполнены из проводников диаметром 0,005λ. Они подключены к точкам питания 3 или 4 посредством коаксиального кабеля, введенного через область 10 нулевого потенциала основания 8. Конструкция области 10 предусматривает контактное введение между трубчатыми проводниками трубчатого элемента 11 идентичного диаметра. Коаксиальный кабель проложен внутри одной из трубок линии питания 7 с коммутацией на выходе в области точки питания 3 или 4 экранирующего проводника к стороне прокладки при коммутации центрального проводника к точке питания 4 или 3 противоположной стороны.
Из рассмотрения графиков изменения коэффициентов согласования и усиления (фиг. 2, 3) следует, что широкополосный антенный модуль может применяться как в качестве приемной, так и передающей антенны. Из изменения форм диаграмм направленности в горизонтальной плоскости (фиг. 4) следует, что при создании стеков в горизонтальной плоскости и использования рефлекторов широкополосный антенный модуль может быть выгодно использован для синтеза узконаправленных широкополосных антенных систем Широкополосный антенный модуль работает следующим образом. Высокочастотный сигнал по коаксиальному кабелю, введенному через область 10 по левому проводнику двухпроводной линии 7 на выходе из трубчатого проводника в области точки питания 3 с коммутацией экранирующего проводника к стороне прокладки, при коммутации центрального проводника к точке питания 4 противоположной стороны, подается на две треугольные незамкнутые рамки 1 и 2, на пары активных элементов: - противоположные стороны пар 6 и 9. Трубчатые проводники пар сторон 6 и 9, с точками питания 3 и 4, возбуждаясь противофазно, формируют электромагнитное поле. Двухпроводная линия 7, являясь экранирующей для коаксиального кабеля питания, проложенного внутри одного из ее проводников, обеспечивает на выходе симметрию питания точек 3 и 4, гарантируя противофазное возбуждение. Противофазные токи на ее поверхности при симметричном исполнении двухпроводной линии компенсируются и не принимают участия в формировании электромагнитного поля. Закороченная двухпроводная линия при длине 0,25λ имеет для точек питания 3 и 4 сопротивление в виде со и не вносит изменений в электрические характеристики широкополосного антенного модуля.
Доводы по работе технического решения по изобретению подтверждают результаты компьютерного моделирования (фиг. 2, 3, 4) и фотография действующего опытного образца (фиг. 5). Широкополосный антенный модуль, характеризующийся повышенной механической жесткостью и упрощенной технологией изготовления, имеющий конструкцию, обеспечивающую устойчивое положение проводников в полотне излучателя и устойчивое крепление полотна, при размещении на объектах, сохранил все электрические характеристики прототипа. Натурные измерения электрических параметров модуля подтвердили результаты компьютерного моделирования. Дополнительно к этому, у модуля наблюдается плавное, в отличие от прототипа, изменение коэффициента согласования в рабочем частотном диапазоне, стабилизируемое введенной пассивной двухпроводной симметричной линией.