ШИРОКОПОЛОСНАЯ НАПРАВЛЕННАЯ ЗИГЗАГООБРАЗНАЯ КВАЗИШУНТОВАЯ АНТЕННА
BROADBAND DIRECTIONAL ZIGZAG QUASI-SHUNT-FED ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для использования в качестве приемопередающих антенн, преимущественно в широкой версии индивидуальных приемных телевизионных антенн для дециметрового диапазона длин радиоволн.
Тенденции последних лет развития беспроводных радиосистем, при использовании дециметрового диапазона длин радиоволн, раскрывают широкое развертывание связных и широковещательных станций, офисных и бытовых беспроводных сетей и всеохватывающий интенсивный переход на цифровое эфирное телевидение. Особенности работы и специфика использования радиочастотного ресурса устройствами этих систем зачастую требуют применения разных типов антенн, среди которых направленные занимают особое место. В этом участке радиочастот практически отпали ограничения в размерах антенн в соотношении к длинам волн, что позволяет синтезировать для расширения и реализации самых разнообразных характеристик антенные устройства комбинированных конструкций с внедрением интерпретацией классических элементов аналогов различных типов из других диапазонов.
мин
макс
Известна широкополосная зигзагообразная антенна с рефлектором (Пат. РФ №2122762, опубл. 27.11.1998 г.), содержащая активный вибратор-излучатель в виде двух идентичных металлических замкнутых ромбических рамок, расположенных симметрично относительно точек питания в центре антенны, и плоский рефлектор. Для снижения коэффициента стоячей волны в кабеле при работе антенны в широком диапазоне частот с коэффициентом перекрытия не менее 1,5-2 рефлектор отстоит от активного вибратора-излучателя на расстоянии (0,2-0,25)λ. Каждая ромбическая рамка имеет форму боковой поверхности в виде правильной усеченной пирамиды, боковые грани которой являются трапециями, с длиной нижнего основания, соизмеримой с (0,25-0,33)λ.
Недостатками известного изобретения являются недостаточно широкий диапазон рабочих частот и относительная сложность изготовления и эксплуатации активного объемного вибратора-излучателя.
Известна ромбическая антенна с двойным рефлектором (Пат. РФ №2334318, опубл. 20.09.2008 г.), содержащая провода, расположенные вдоль сторон ромба и образующие длинную линию, с одной стороны нагруженную на активное сопротивление, равное ее волновому сопротивлению, с другой стороны подключенную к линии питания. Под некоторым углом к плоскости ромба для увеличения направленности антенны на небольшом расстоянии от ромба установлен первый плоский проводящий экран (рефлектор). Второй рефлектор идентичен первому и установлен симметрично ему относительно плоскости ромба. При этом линия пересечения плоскостей рефлекторов перпендикулярна продольной диагонали ромба.
Недостатками известного изобретения являются относительная сложность изготовления и эксплуатации ромбической структуры с изоляцией от рефлекторов и значительное боковое излучение антенны с двойным рефлектором.
ср.
В качестве прототипа заявляемого технического решения широкополосной направленной зигзагообразной квазишунтовой антенны принята проволочная антенна (Пат. РФ 2189093, опубл. 10.09.2002 г., фиг. 1). Для увеличения КНД и расширения диапазона рабочих частот известная антенна выполнена в виде двух витков провода в форме квадратов со сторонами 0,5λ, расположенными в одной плоскости вдоль общей диагонали в виде двух ветвей. Ветви разомкнуты по всей длине антенны с узлом питания двухпроводной линии в точках соприкосновения квадратов с незамкнутыми сторонами в центре антенны.
Недостатками прототипа являются недостаточно значительный диапазон рабочих частот с сохранением коэффициента стоячих волн менее 2 и относительная сложность изготовления конструкции при изоляции проводников ветвей между собой и места установки антенны.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в упрощении конструкции и сборки устройства при установке, улучшении согласования антенны с питающим фидером при сохранении направленности антенны в заданном рабочем диапазоне.
мин.
макс.
ср.
макс.
Указанный результат достигается тем, что широкополосная направленная зигзагообразная квазишунтовая антенна содержит активное полотно в виде двух витков проводников в форме квадратов, расположенных вдоль общей диагонали по обе стороны в виде двух ветвей, разомкнутых по всей длине. Узел питания находится в точках соприкосновения квадратов с незамкнутыми сторонами в центре антенны. Полотно симметрично перегнуто по линии, перпендикулярной к плоскости, проходящей через общую диагональ, и расположено перед рефлектором с уклонами образованных плоскостей ветвей к центру, образованных за счет изменения расстояния между плоскостями ветвей и рефлектором. Расстояние незамкнутых сторон квадратов в центре антенны от рефлектора соизмеримо с 0,2λ рабочей длины волны, а расстояние незамкнутых сторон внешних углов квадратов от рефлектора соизмеримо с 0,2λ рабочей длины волны. Витки квадратов со сторонами, соизмеримыми с 0,5λ рабочей длины волны, выполнены в виде многожильных проволочных проводников. Жилы проводников сторон квадратов активного полотна, расположенные в плоскости ветвей своих квадратов, сведены и замкнуты между собой в разомкнутых точках соприкосновения незамкнутых сторон. Жилы проводников веерно разведены на расстояние, соизмеримое с 0,1λ рабочей длины волны в углах, удаленных от общей диагонали, и замкнуты между собой перемычками. Средние части проводников сторон квадратов замкнуты между собой перемычками и соединены проводниками с рефлектором. Эти проводники соединены между собой в точках продольной оси симметрии рефлектора, при перпендикулярном расположении каждого к продольной оси с образованием своеобразных шунтов, соединенных своими средними точками с рефлектором.
Проводники ветвей активного полотна могут быть выполнены монолитными плоскими, из листового материала путем штамповки или пропиливания, а также объемными принтерным 3D изготовлением в границах и форме, подобной фигурам, образованным многожильными проволочными проводниками. При этом ветви могут быть выполнены как цельными, так и в исполнении идентичными половинами, при возможности соединения в месте коммутации к узлу питания.
При конкретной реализации заявляемого технического решения является предпочтительным использование соединительных проводников-шунтов ветвей активного полотна в качестве заземляющего крепежа ветвей к рефлектору. Это обеспечивает простоту изготовления и жесткость конструкции антенны, ее повышенную эксплуатационную надежность. Для обеспечения молниезащитных свойств и отвода статического электричества коррозирующие элементы антенны покрываются краской, в которую добавлена бронзовая пудра в соотношении не менее 1:10.
Новизна в части устройства усматривается в том, что разомкнутые по всей длине зигзагообразные, за счет сторон квадратов, витки проводников активного полотна от середин проводников сторон соединены проводниками в точках продольной оси симметрии рефлектора между собой, образуя шунтирующие цепи.
Новизна в части устройства усматривается в том, что своеобразные квазишунты обеспечивают искусственные нулевые точки и позволяют осуществить механическое крепление в них конструкции полотна к рефлектору без изоляторов.
мин.
макс.
Новизна в части устройства усматривается в том, что кроме шунтирования соединительные проводники квазишунтов с длинами, соизмеримыми с 0,25λ и 0,25λ, под углом сходящиеся к нулевой точке и перпендикулярно к оси симметрии рефлектора участвуют в работе антенны как вибраторы с поляризацией, соответствующей поляризации зигзагообразного активного полотна.
Новизна в части устройства усматривается в том, что полотно симметрично перегнуто и расположено перед рефлектором с уклонами образованных плоскостей ветвей к центру, образованными за счет изменения расстояния между плоскостями ветвей и рефлектором, обеспечивая логарифмическую зависимость изменения расстояния для создания оптимальных рабочих зон, активное полотно - рефлектор при изменении рабочих частот.
Новизна в части устройства усматривается в том, что полотно, симметрично перегнутое по линии, перпендикулярной к плоскости, проходящей через общую диагональ, с уклонами образованных плоскостей ветвей к центру, за счет работы в режиме классической укороченной ромбической антенны в высокочастотной части рабочего диапазона длин радиоволн, обеспечивает сведение диаграмм направленностей продольно расположенных квадратов, дополнительно повышая направленность.
Промышленная применимость предлагаемого технического решения усматривается в сравнительной простоте изготовления, высоких электрических характеристиках, возможности использования в мелкосерийном производстве и на промышленной основе при высоком конкурентоспособном уровне. В сравнении с широко известными, практически используемыми аналогами телевизионных антенн типа «польской сетки», заявляемая широкополосная направленная зигзагообразная квазишунтовая антенна во всем дециметровом диапазоне эфирного телевидения может применяться без антенных усилителей.
Предлагаемая широкополосная зигзагообразная квазишунтовая антенна поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-4.
На фиг. 1 представлен эскиз общего вида заявляемой широкополосной направленной зигзагообразной квазишунтовой антенны; на фиг. 2 - диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях; на фиг. 3 - график изменения коэффициента стоячей волны в рабочем диапазоне; на фиг. 4 - графики изменения коэффициента усиления и коэффициента защитного действия в рабочем диапазоне.
мин.
макс..
ср.
макс.
Заявляемая широкополосная направленная зигзагообразная квазишунтовая антенна содержит активное полотно 1 в виде двух витков 2 проводников 3 в форме квадратов 4, расположенных вдоль общей диагонали 5 по обе стороны в виде двух ветвей 6. Ветви 6 разомкнуты по всей длине, с узлом питания 7 в точках соприкосновения квадратов 4 с незамкнутыми сторонами в центре антенны. Полотно 1 симметрично перегнуто по линии 8, перпендикулярной к плоскости, проходящей через общую диагональ 5, и расположено перед рефлектором 9. Уклон образованных плоскостей ветвей 6 к центру образован за счет расстояния 10 незамкнутых сторон квадратов 4 в центре антенны от рефлектора 9, соизмеримого с 0,2λ рабочей длины волны и расстояния 11 незамкнутых сторон внешних углов 12 квадратов 4 от рефлектора 9, соизмеримого с 0,2λрабочей длины волны. Витки 2 сторон квадратов 4, соизмеримые с 0,5λ рабочей длины волны в виде проволочных проводников 3, выполнены многожильными. Жилы проводников 3 сторон квадратов 4, расположенные в плоскости ветвей 6, сведены и замкнуты между собой, в разомкнутых точках соприкосновения незамкнутых сторон квадратов 4. Жилы проводников 3 сторон квадратов 4, расположенные в плоскости ветвей 6, веерно разведены на расстояние, соизмеримое с 0,1λ рабочей длины волны в углах 13, удаленных от общей диагонали, и замкнуты перемычками 14 между собой. Средние части проводников 3 сторон квадратов 4 замкнуты перемычками 15 между собой и проводниками-шунтами 16 и 17 соединены в точках продольной оси симметрии 18 рефлектора 9 между собой и с рефлектором 9 при перпендикулярном расположении каждого проводника к ней.
Широкополосная направленная зигзагообразная квазишунтовая антенна работает следующим образом.
макс.
мин.
ср.
ср.
В низкочастотной части рабочего диапазона длин радиоволн проводники 3 сторон квадратов 4 соизмеримы с 0,25λ, вершины разомкнутых внешних углов 12 дублируются замкнутым углом проводников-шунтов 17, увеличенных по длине, с повышением наклона плоскости ветвей 6, а замкнутые уменьшенные размещением ближе к центру проводники 16, шунтируя, увеличивают входное сопротивление антенны. В низкочастотной части рабочего диапазона длин радиоволн антенна работает подобно работе классической биквадратной рамочной антенне Харченко с повышенным входным сопротивлением. В высокочастотной части рабочего диапазона длин радиоволн проводники ветвей 6 по протяженности превышают λ, веерное разведение многожильных проводников в углах 13, удаленных от общей диагонали и замкнутых перемычками 14 между собой при сведении и замыкании между собой в разомкнутых точках соприкосновения незамкнутых сторон квадратов 4, выравнивают погонные характеристики длинных линий. В ветвях 6, нагруженных заземленными, увеличенными размещением дальше от центра шунтами из проводников 17, нейтрализуется отражение волн. В высокочастотной части рабочего диапазона длин радиоволн антенна работает подобно работе классической укороченной ромбической антенне со сведением диаграмм направленностей продольно расположенных квадратов за счет образования угла между ними. В среднечастотной части рабочего диапазона длин радиоволн с проводниками 3 сторон квадратов 4, соизмеримыми с 0,5λ, антенна работает в промежуточном, от раскрытых, режиме с увеличенной апертурой. Своеобразные шунты из проводников 16 и 17, с одной стороны, обеспечивают искусственные нулевые точки и заземление на рефлектор 9 активного полотна антенны, а с другой, с суммарной длиной пар, соизмеримой с 0,5λ, при V-образной конфигурации и перпендикулярном расположении к оси симметрии 18 рефлектора 9 и к общей диагонали 5, участвуют в работе антенны с поляризацией, соответствующей поляризации активного полотна. Кроме того, полотно симметрично перегнуто по линии 8 и расположено перед рефлектором 9, с уклонами образованных плоскостей ветвей 6 к узлу питания 7 в центре. Это обеспечивается за счет изменения расстояния 10-11 между плоскостями ветвей 6 и рефлектором 9, создавая логарифмическую зависимость изменения расстояния вдоль активного полотна антенны, для создания оптимальных рабочих зон: активное полотно - рефлектор при изменении рабочих частот, а также для обеспечения сведения диаграмм направленностей продольно расположенных квадратов. Все это в комплексе позволяет увеличить широкополосность антенны с коэффициентом перекрытия более 2, стабильность в частотном диапазоне коэффициента стоячих волн, практически менее 2, и диапазонную однонаправленность с малым боковым излучением при упрощении безизоляторной конструкции антенного устройства по заявленному техническому решению.
Работа широкополосной направленной зигзагообразной квазишунтовой антенны промоделирована в программе MMANA с явным подтверждением изложенных доводов полученными результатами, показанными на фиг. 2-4.
Предлагаемая антенна позволяет увеличить широкополосность частотного диапазона, обеспечить стабильность коэффициента стоячих волн в диапазоне рабочих длин волн, диапазонную однонаправленность и защиту от молний при упрощенной конструкции.