ШИРОКОПОЛОСНАЯ ТРЕУГОЛЬНО-ПЕТЛЕВАЯ АНТЕННА
WIDE-BAND TRIANGULAR AND LOOP ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве широкополосных антенн для телевидения и беспроводных сетей передачи информации, в антенных системах радиолокации и радиопеленгации, а также в комплексах радиомониторинга и радиоэлектронной борьбы.
Известна широкополосная антенна с петлевыми вибраторами образующими логопериодическую структуру. (Пат. РФ №2206947, опубл. 20.06.2003). Петлевые вибраторы выполнены самодополнительными, подсоединенными к трубчатой собирательной двухпроводной линии, причем одна половина петлевого вибратора имеет гальваническую связь с одной из трубок собирательной двухпроводной линии, а другая половина каждого петлевого вибратора соединена с другой трубкой собирательной двухпроводной линии с помощью емкостной связи через ферритовую втулку.
Недостатками устройства-аналога являются относительно большие пространственные габариты, сложные конструкция петлевых вибраторов и их подключение с устройством изолирующей ферритовой вставки в одно из плеч, в общем, снижающих технологию изготовления и надежность эксплуатации усложненной конструкции антенного устройства.
Известна логопериодическая вибраторная антенна, содержащая ряд симметричных линейных вибраторов, запитываемых от двухпроводной трубчатой распределительной линии. (Пат. РФ №2655724, опубл. 25.05.2018). Каждый последующий в ряду симметричный вибратор, в виде цилиндрических проводников, запитан противофазно предшествующему симметричному вибратору, а отношение длин плеч соседних вибраторов и отношение расстояний между симметричными вибраторами выбраны по соотношениям образования оптимальной логопериодической вибраторной структуры. Трубчатые проводники двухпроводной распределительной линии расположены симметрично относительно продольной оси антенны с образованием зазора между ними, причем величина зазора в поперечных сечениях двухпроводной линии изменяется вдоль продольной оси антенны по линейному закону с увеличением от наименьшего вибратора к наибольшему вибратору. При этом пропорция изменения зависит от соотношения рабочих частот максимальной к минимальной и формы трубчатых проводников.
Недостатками известной антенны являются относительно большая продольная протяженность антенного устройства, дополнительно увеличиваемая за счет короткозамыкателя в концовке двухпроводной распределительной линии. Причем предполагается, не указанная в описании, необходимость установки диэлектрических фиксаторов изменяющегося по длине зазора распределительной линии, снижающая электрические параметры в процессе эксплуатации, а из-за увеличенных размеров усложняется установка антенны при ограничениях возможностях размещения.
раб.
раб.
раб.
Среди известных решений наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является активный антенный треугольно-петлевой элемент по патенту Российской Федерации №2568340 С1, МПК H01Q 5/00, опубликованный 20.11.2015. Антенное устройство содержит расположенные симметрично относительно общей оси петлевые вибраторы, установленные перпендикулярно направлению приема электромагнитных волн и соединенные между собой. Петлевые вибраторы расположены в одной плоскости. Один из них выполнен в форме равнобедренного треугольника с основанием 0,4λ и боковыми сторонами 0,3λ, другой петлевой вибратор представляет собой шлейф-вибратор Пистолькорса из двух параллельных линейных проводников (0,5λ), один из которых неразрезной, другой разрезной в средней части, с размещением в ней точек питания. Разнородные вибраторы соединены между собой в точках питания с перекрещиванием боковых сторон равнобедренного треугольного вибратора.
Недостатком прототипа является недостаточный для широкополосных антенн рабочий диапазон частот. Совместное использование разнесенных разнородных вибраторов с одинаковой протяженностью проводников, то есть с одинаковыми длинами рабочих радиоволн, увеличивает коэффициент усиления, а из-за особенностей вклада каждого в суммарное формирование направленности, обусловленное различием их форм, обеспечивает ее односторонность, но не расширяет полосу рабочих частот антенного устройства.
Задачей настоящего изобретения является создание широкополосной треугольно-петлевой антенны с увеличенной полосой рабочих частот, повышенной надежностью и высокой технологичностью изготовления.
Технический результат изобретения достигается включением в антенное устройство дополнительных петлевых вибраторов, выполненных в форме равнобедренных треугольников, подобных используемому, но с отличающимися от используемого рабочими длинами волн.
1
1
1
2
2
1
Техническое решение широкополосной треугольно-петлевой антенны обеспечивается тем, что используются расположенные симметрично относительно общей оси петлевые вибраторы, установленные перпендикулярно направлению приема электромагнитных волн, соединенные между собой и расположенные в одной плоскости. Первый из вибраторов выполнен в форме равнобедренного треугольника основанием 0,4λ и боковыми сторонами 0,3λ, другой петлевой вибратор с общей длиной петли λ в виде шлейф-вибратора Пистолькорса из двух параллельных линейных проводников, один из которых неразрезной, другой разрезной в средней части, с размещением в ней точек питания а, b. Оба вибратора соединены между собой с перекрещиванием боковых сторон равнобедренного треугольного вибратора и, дополнительно, к точкам питания подключена двухпроводная экспоненциальная линия, соединяющая расположенный симметрично, относительно общей оси, петлевой вибратор, выполненный в форме равнобедренного треугольника с основанием 0,4λ и боковыми сторонами 0,3λ, подобный первому, с перекрещиванием боковых сторон равнобедренного треугольного вибратора. Причем двухпроводная экспоненциальная линия и подобный первому треугольный вибратор, выполнены из проволочных проводников, которые расположены в одной плоскости под углом α к общей оси и имеют суммарную протяженность проводников, равную λ, с размещением над (под) первым петлевым треугольным вибратором.
2
2
1
Для выравнивания коэффициента усиления, с повышением его в высокочастотной части расширенной полосы рабочих частот, к точкам питания дополнительно подключена вторая двухпроводная экспоненциальная линия. Она соединяет расположенный симметрично относительно общей оси петлевой вибратор, выполненный в форме равнобедренного треугольника с основанием 0,4λ и боковыми сторонами 0,3λ, подобный первому, с перекрещиванием боковых сторон равнобедренного треугольного вибратора. Причем вторая двухпроводная экспоненциальная линия и подобный первому треугольный вибратор, выполнены из проволочных проводников, которые расположены в одной плоскости под углом σ к общей оси и имеют суммарную протяженность проводников, равную λ, с размещением под (над) первым петлевым треугольным вибратором, образуя симметричную структуру с парой идентичных подобных вибраторов, относительно общей оси.
3
3
1
Для выравнивания коэффициента усиления, с нивелированием его по диапазону рабочих частот или дальнейшего расширения полосы рабочих частот, к точкам питания дополнительно может быть подключена вторая двухпроводная экспоненциальная линия. Она соединяет расположенный симметрично, относительно общей оси петлевой вибратор, выполненный в форме равнобедренного треугольника с основанием 0,4λ и боковыми сторонами 0,3λ, подобный первому, с перекрещиванием боковых сторон равнобедренного треугольного вибратора. Причем двухпроводная экспоненциальная линия и подобный первому треугольный вибратор, выполнены из проволочных проводников, которые расположены в одной плоскости под углом σ к общей оси и имеют суммарную протяженность проводников, равную λ, с размещением под (над) первым петлевым треугольным вибратором, образуя двухстороннюю структуру подобных вибраторов, относительно общей оси.
1
Для повышения коэффициента усилении предлагаемого антенного устройства, с подключенной к точкам питания второй двухпроводной экспоненциальной линии, соединяющей расположенный симметрично, относительно общей оси петлевой вибратор, расположенный в одной плоскости с экспоненциальной линией под углом σ к общей оси, который имеет суммарную протяженность проводников вибратора с соединительной линией, равную λ, с размещенным под (над) первым петлевым треугольным вибратором, образуя симметричную структуру подобных вибраторов, дополнительно на общей оси перед треугольно-петлевой структурой размещен линейный директор.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что в устройство широкополосной треугольно-петлевой антенны, конструктивно выполненное в виде расположенных симметрично, относительно общей оси резонансных петлевых неоднородных вибраторов, настроенных на общую рабочую частоту и соединенных между собой, введены особо подключенные дополнительные подобные петлевые вибраторы с другими рабочими частотами;
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что размещение дополнительных вибраторов осуществляется в плоскостях, под углом к общей оси, с разнесением над (под) первым петлевым треугольным вибратором;
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что дополнительные петлевые вибраторы с другими рабочими частотами являются активными, с гальваническим соединением к общим точкам питания;
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что дополнительные петлевые вибраторы с другими рабочими частотами соединены с общими точками питания двухпроводными экспоненциальными линиями;
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что ключевым, при устройстве дополнительных петлевых вибраторов с другими рабочими частотами и их соединении с общими точками питания является соблюдение равенства суммарной протяженности проводников используемых вибраторов, в том числе с учетом двухпроводных экспоненциальных линий;
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что на базе классического шлейф-вибратора Пистолькорса, типично трубчатого, размещена ажурная система треугольных вибраторов, выполненных из проволочных проводников;
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что комбинация системы петлевых вибраторов для изменения коэффициента усиления по рабочему диапазону антенны дополнена линейным директором.
Сочетание отличительных признаков и свойств как в заявленном устройстве, широкополосная треугольно-петлевая антенна Ажур из технической, научной литературы и патентной документации не выявлено, поэтому оно соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
Промышленная применимость заявленного технического решения усматривается в малой материалоемкости, сравнительной простоте изготовления, тиражирования и эксплуатации, в повышенных электрических показателях, возможности использования на промышленной основе и конкурентоспособном уровне.
Предлагаемая широкополосная треугольно-петлевая антенна иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-6.
На фиг. 1 схематично представлен общий вид широкополосной треугольно-петлевой антенны с одним дополнительным вибратором;
На фиг. 2 схематично представлен общий вид широкополосной треугольно-петлевой антенны с двумя дополнительными вибраторами;
На фиг. 3 схематично представлен вид с боку широкополосной треугольно-петлевой антенны с двумя дополнительно подключенными треугольно-петлевыми вибраторами;
На фиг. 4 представлено изменение коэффициента стоячих волн в диапазоне 460-800 МГц антенны с одним дополнительным вибратором;
На фиг. 5 представлено изменение коэффициента усиления и защитного действия в диапазоне 460-800 МГц антенны с одним дополнительным вибратором;
На фиг. 6 представлены диаграммы направленностей в диапазоне 460-800 МГц антенны с одним дополнительным вибратором.
1
1
1
2
2
1
Широкополосная треугольно-петлевая антенна (фиг. 1), содержит, расположенные симметрично относительно общей оси 3 петлевые вибраторы 1 и 2, установленные перпендикулярно направлению приема электромагнитных волн. Они соединены между собой и расположены в одной плоскости (показана на общем боковом виде фиг. 3 пунктиром 3), первый из которых выполнен в форме равнобедренного треугольника 1 с основанием 0,4λ 4 и боковыми сторонами 0,3λ 5, а другой петлевой вибратор 2 с общей длиной петли λ в виде шлейф-вибратора Пистолькорса из двух параллельных линейных проводников 6 и 7. Один из проводников в нем неразрезной 6, другой 7 разрезной в средней части с размещением в ней точек питания а, b, в которых треугольный вибратор 1 и шлейф-вибратор 2 соединены между собой с перекрещиванием боковых сторон 5 равнобедренного треугольного вибратора 1. К точкам питания дополнительно подключена двухпроводная 9 экспоненциальная линия 8, соединяющая расположенный симметрично, относительно общей оси 3, петлевой вибратор 10, в форме равнобедренного треугольника с основанием 0,4λ 11 и боковыми сторонами 0,3λ 12, подобный первому 1, с перекрещиванием боковых сторон 12 равнобедренного треугольного вибратора 10. Причем, двухпроводная экспоненциальная линия 8 и, подобный первому 1 треугольный вибратор 10, выполненные из проволочных проводников, расположены в одной плоскости 19, (показанная на общем боковом виде фиг. 3 пунктиром) под углом α к общей оси 3 (на фиг. 3) и имеют суммарную протяженность проводников двухпроводной линии 9 и треугольного вибратора 10, равную λ, с размещением над (под) первым петлевым треугольным вибратором 1.
2
2
1
В соответствии с изобретением, к точкам питания дополнительно может быть подключена вторая двухпроводная 15 экспоненциальная линия 14, соединяющая расположенный симметрично относительно общей оси петлевой вибратор 16, в форме равнобедренного треугольника с основанием 0,4λ 17 и боковыми сторонами 0,3λ 18, подобный первому 1, с перекрещиванием боковых сторон 18 равнобедренного треугольного вибратора 16 (фиг. 2). Причем, двухпроводная экспоненциальная линия 14 и подобный первому 1 треугольный вибратор 16, выполненные из проволочных проводников, расположены в одной плоскости 20 (показанная на общем боковом виде фиг. 3 пунктиром) под углом σ к общей оси 3 и имеют суммарную протяженность проводников, равную λ, с размещением под (над) первым петлевым треугольным вибратором 1, образуя симметричную структуру идентичных вибраторов, относительно общей оси 3.
3
3
1
1
Кроме этого, к точкам питания дополнительно может быть подключена вторая двухпроводная 15 экспоненциальная линия 14, соединяющая расположенный симметрично относительно общей оси петлевой вибратор 16, выполненный в форме равнобедренного треугольника с основанием 0,4λ 17 и боковыми сторонами 0,3λ, 18 подобный первому, с перекрещиванием боковых сторон равнобедренного треугольного вибратора. Причем двухпроводная экспоненциальная линия и подобный первому треугольный вибратор, выполненные из проволочных проводников, расположены в одной плоскости 20 под углом σ к общей оси 3 и имеют суммарную протяженность проводников, равную λ, с размещением под (над) первым петлевым треугольным вибратором 1. Таким образом, реализуется трехэлементная структура подобных вибраторов с разными длинами периметров треугольников и двухпроводных линий, но при равной λ суммарной длине проводников в каждом элементе.
2
2
1
При этом, когда к точкам питания дополнительно подключена вторая двухпроводная 15 экспоненциальная линия 14, соединяющая расположенный симметрично относительно общей оси петлевые вибраторы 16, выполненные в форме равнобедренного треугольника с основанием 0,4λ 17 и боковыми сторонами 0,3λ, 18 подобные первому, с перекрещиванием боковых сторон равнобедренного треугольного вибратора, возможна дальнейшая комбинация. Для чего треугольные вибраторы 1 и 16, выполненные из проволочных проводников и имеющих суммарную протяженность проводников, равную λ, образуя структуру подобных вибраторов, относительно общей оси 3, дополнены линейным директором (на фиг. не показано), с размещением на общей оси перед треугольно-петлевой структурой.
Антенна работает следующим образом.
1
1
2
2
2
1
1
При подключении высокочастотного генератора (на фиг. не показан) в точки питания а и b по проводникам боковых сторон 5 и основанию 4 петлевого вибратора 1, равно как и по проводникам 6 и 7 петлевого вибратора 2 потекут токи с величинами, обратно пропорциональными сопротивлениям цепей. При этом из-за того, что в шлейф-вибраторе Пистолькорса 2 проводники 6 и 7 расположены в непосредственной близости друг к другу, а в равнобедренном треугольном вибраторе 1 проводник 4 подключен в середину петли между проводниками боковых перекрещенных сторон 5, с развязкой по протяженности, соизмеримой с длиной 0,3λ до и после включения проводника 4, то токи в проводнике 4 реализуют работу антенны с активными вибраторами и обеспечением направленности в сторону с меньшей длины директора, как в классической директорной структуре. Противоположно направленные токи в проводниках 5, при их горизонтальном размещении под углом друг к другу, встречно компенсируя осевую составляющую, обеспечивают повышение уровня составляющей горизонтальной поляризации за счет суммирования, с увеличением излучения вдоль оси по направлению антенны, как в антеннах Харченко. Таким образом, все проводники участвуют в излучении электромагнитного поля, обеспечивая суммарное повышение коэффициента направленного действия системы в полосе диапазона рабочих длин волн близких к λ. В свою очередь, введение в систему резонансного вибратора, настроенного на другую частоту, с подключением к точкам питания а и b петлевого вибратора 10, обеспечивает расширение диапазона рабочих длин волн антенны в сторону настроенного на другую частоту введенного вибратора. Введенный вибратор 10 в форме равнобедренного треугольника с основанием 0,4λ 11 и боковыми сторонами 0,3λ, 12 подобный первому 1, с перекрещиванием боковых сторон равнобедренного треугольного вибратора производит увеличение коэффициента усиления и повышает коэффициент направленного действия антенной системы, но в полосе длин волн близкой к λ. Таким образом, суммарно, расширяется полоса рабочих частот, как и в логопериодических антеннах. Однако, непосредственное подключение дополнительного петлевого вибратора с суммарной протяженность проводников отличающейся от λ, шунтирует вход антенны в точках питания а и b и нарушает фазировку токов в излучающих проводниках, обеспечивающих одностороннюю направленность. Поэтому для обеспечения необходимой задержки, чтобы добиться требуемой синфазности, введена своеобразная линия задержки, двухпроводная линия 9, соединяющая расположенный симметрично, относительно общей оси 3, петлевой вибратор 10 с точками питания а и b, выполненная в виде экспоненциальной линии 8, одновременно обеспечивающей согласование сопротивления введенного вибратора 10 к входу антенны. Причем двухпроводная экспоненциальная линия и подобный первому треугольный вибратор, выполнены из проволочных проводников и расположены в одной плоскости 19 под углом α к общей оси и имеют суммарную протяженность проводников, равную λ, с размещением над (под) первым петлевым треугольным вибратором, чтобы расширить апертуру антенны по вертикали.
2
2
1
1
2
В соответствии с изобретением, к точкам питания дополнительно подключается вторая двухпроводная 15 экспоненциальная линия 14, соединяющая расположенный симметрично относительно общей оси петлевой вибратор 16, в форме равнобедренного треугольника с основанием 0,4λ 17 и боковыми сторонами 0,3λ, 18 подобный первому 1, с перекрещиванием боковых сторон равнобедренного треугольного вибратора 16. Причем двухпроводная экспоненциальная линия и подобный первому треугольный вибратор, выполненные из проволочных проводников, расположенные в одной плоскости 20 под углом σ к общей оси и имеют суммарную протяженность проводников, равную λ, с размещением под (над) первым петлевым треугольным вибратором. Таким образом, реализуется трехэлементная структура подобных вибраторов с разными длинами периметров треугольников и двухпроводных линий, но при равной λ суммарной длине проводников в каждом элементе. Ведение дополнительного 16, идентичного введенному 10, еще одного резонансного вибратора в большей степени увеличивает коэффициент усиления и повышение коэффициента направленного действия антенной системы в полосе длин волн близкой к λ, где классически требуется его повышение.
3
3
1
2
3
2
3
Кроме этого к точкам питания дополнительно может быть подключена вторая двухпроводная 15 экспоненциальная линия 14, соединяющая расположенный симметрично относительно общей оси петлевой вибратор 16, выполненный в форме равнобедренного треугольника с основанием 0,4λ 17 и боковыми сторонами 0,3λ, 18 подобный первому, с перекрещиванием боковых сторон равнобедренного треугольного вибратора. Причем двухпроводная экспоненциальная линия и подобный первому треугольный вибратор, выполненные из проволочных проводников, расположены в одной плоскости 20, под углом σ к общей оси и имеющих суммарную протяженность проводников, равную λ, с размещением под (над) первым петлевым треугольным вибратором, образуют структуру подобных вибраторов, относительно общей оси 3. Однако петлевые вибраторы, настроенные для работы с длинами волн λ и λ, уже могут обеспечить увеличение коэффициента усиления и повышение коэффициента направленного действия антенной системы в полосе длин волн близких к λ и λ, что позволяет производить выравнивание коэффициента усиления, с нивелированием его по заданному диапазону рабочих частот или расширение полосы рабочих частот антенны.
2
2
1
При этом, на общей оси перед треугольно-петлевой структурой возможно размещение линейного директора с комбинацией в систему петлевых вибраторов, при сохранении структуры, когда к точкам питания дополнительно подключена вторая двухпроводная 15 экспоненциальная линия 14, соединяющая расположенный симметрично относительно общей оси петлевой вибратор 16, выполненный в форме равнобедренного треугольника с основанием 0,4λ 17 и боковыми сторонами 0,3λ, 18 подобный первому 1, с перекрещиванием боковых сторон равнобедренного треугольного вибратора. Причем двухпроводная экспоненциальная линия и подобный первому треугольный вибратор, выполненные из проволочных проводников, расположенных в одной плоскости 20 под углом σ к общей оси, имеют суммарную протяженность проводников, равную λ, с размещением под (над) первым петлевым треугольным вибратором, образуя симметричную структуру подобных вибраторов, относительно общей оси 3. Такая комбинация, дополненная директором, в большей степени обеспечивает изменения коэффициента усиления и направленного действия в рабочем диапазоне частот антенны.
Результаты компьютерного моделирования в программе MMANA-GAL (фиг. 4, 5 и 6) полностью подтверждают анализ работы широкополосной треугольно-петлевой антенны увеличением полосы рабочих частот графиками на фиг. 4, с сохранением в ней низкого коэффициента стоячих волн. Выравнивание в широком рабочем диапазоне частот коэффициента усиления и коэффициента защитного действия подтверждают графики на фиг. 5, а односторонность направленности и изменение форм диаграмм направленностей антенны в диапазоне 460-800 МГц подтверждают графики на фиг. 6. Повышенная надежность может быть подтверждена общим внешним видом по изображениям версий конструкций на фиг. 1-3, где на утолщенном из железной трубки шлейф-вибраторе Пистолькорса, например, путем точечной сварки ажурно закреплены проволочные треугольно-петлевые вибраторы. (Применение железной трубки вместо меди снижает коэффициент усиления антенны около 0,25 dB.) Этим же подтверждается и технологичность изготовления антенны, так как для реализации устройства в оптимальной версии требуется всего 3 типоразмера заготовок в виде выгнутого трубчатого шлейф-вибратора Пистолькорса, выгнутого проволочного треугольного вибратора и двух выгнутых проволочных треугольных вибраторов с продолжением экспоненциальной линией. Симметрированное подключение коаксиального кабеля питания возможно вводом в точке нулевого потенциала в центре неразрезного проводника шлейф-вибратора Пистолькорса в трубку с коммутацией центральной жилы к противоположной стороне при выходе в разрезной части в точках питания, а экрана кабеля - к стороне прокладки, с естественной реализацией заземления.