РУЛОННАЯ ТЕЛЕВИЗИОННАЯ АНТЕННА

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в качестве компактной широкодиапазонной антенны, преимущественно комнатной оконной, в системах телевидения, для приема сигналов эфирного цифрового телевизионного вещания в жилых помещениях и сооружениях, в том числе на дачах и на стеклах транспортных средств на стоянках.
Качество работы телевизионных приемников во многом зависит от функционального сочетания телевизионных приемников и антенных устройств, их назначения и мест расположения. Антенна с одной стороны должна быть адаптирована к условиям электромагнитной обстановки в месте установки, а с другой стороны «не ограничивать» своим местонахождением комфорт от ее использования.
У компактных антенн многое должно быть минимизированным, но учтено, что уровень сигнала зависит от расстояния до телевышки и направления прихода радиоволн, толщины стен и высоты окружающих зданий, а также расположения помещений и окружения проводящими элементами, влияющими на надежность телевизионного приема. В альтернативу используемым уменьшенным комнатным классическим антенным устройствам для все шире используются в качестве внутренних антенн оконные антенны, органически вписывающиеся в любой интерьер, во многих случаях, когда телевышки находятся на стороне выхода окон. В свою очередь, в целях минимального воздействия на основную функцию окон, чтобы не уменьшать световой поток, зачастую такие антенны выполняются в виде плоских скелетных конструкций, с размещением проводников на прозрачных подложках, а для временных развертываний они должны быть удобными для транспортировки.
Актуальность и востребованность таких антенн подтверждается широким спектром созданных оконных антенных устройств различных производителей: Super Thin Indoor HDTV Antenna и HD Antena TV Fox Surf (https://www.joom.com/ru/products/6006b6ee3cl 8ee01068f7d43), комнатная активная антенна REMO «BAS-5326-5V» и антенна ТВ РЭМО «BAS-5322-USB СТРЕКОЗА» (https://remo-zavod.ru/antenny-televizionnye/).
Известные антенны практически идентичны и конструктивно имеют комбинированный приемный вибратор на среднюю частоту используемых длин радиоволн или соединение нескольких вибраторов на отдельные частотные участки для расширения рабочего диапазона и симметрирующий трансформатор для согласования с антенным усилителем.
Недостатком известных антенных устройств являются неравномерный по диапазону и завышенный, с запредельными от стандартных, выбросами коэффициента стоячих волн (КСВ) и низкий коэффициент усиления (КУ), из-за чего антенны комплектуются, с внешним питанием, антенными усилителями, без которых их работоспособность как широкополосных антенных устройств, проблематична.
Наиболее близкой, прототипом, является техническое решение устройства телевизионной антенны (патент RU №76504 от 20.09.2008, МПК H01Q 9/28. Бюл. 26). Антенна включает, по меньшей мере, один приемный элемент возбуждения, закрепленный или выполненный на поверхности тонкой диэлектрической подложки, точки возбуждения которого через согласующее устройство соединены через разъем с питающим кабелем для подключения приемной аппаратуры.
Недостатками прототипа, вопреки предельной простоте изготовления плоских дипольных элементов и дешевизны, является необходимость внешнего согласующего устройства за пределами основной конструкции антенны и кабельная коммутация к нему, разъему и далее к телевизионному приемнику, а также низкий КУ и работа в ограниченном участке диапазона длин радиоволн, не перекрывающем частотный диапазон цифрового телевизионного вещания. Дополнительно к этому для защиты от внешних воздействий конструкция антенны, в целях сохранения электрических параметров, преимущественно, должна быть размещена в диэлектрическом корпусе, выполненном из прозрачного материала.
Задачей (техническим результатом) предлагаемой полезной модели является разработка технического решения антенного устройства с улучшением согласования в расширенной полосе частот.
ср
.
ср
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в антенне, включающей закрепленный или выполненный на поверхности подложки, реализованной из тонкого диэлектрического материала, проводящий приемный элемент возбуждения выполнен комбинированным из токопроводящего скотча. Приемный элемент возбуждения состоит из шлейф-вибратора с параллельно расположенным и подключенным диполем-вибратором, с длинами вибраторов соизмеримыми с 0,5λ. Вибраторы соединены посредством симметричной двухпроводной линии, при шунтовом включении через устройство задержки. Точки возбуждения проводящего приемного элемента через согласующее устройство кабелем питания соединены для подключения приемной аппаратуры. Причем диэлектрическая подложка выполнена из прозрачного рулонного материала, на котором вдоль оси симметрии антенны в зоне нулевого потенциала расположено согласующее симметрирующее устройство. Симметрирующее устройство выполнено на базе коаксиального кабеля питания, параллельного двухпроводной линии, который подключен центральной жилой и оплеткой к точкам возбуждения, а изолированная поверхность кабеля обтянута дополнительной оплеткой. Свое начало оплетка берет от положения точек возбуждения, соизмерима по длине с 0,25λ. и соединена окончанием с оплеткой кабеля питания и центральной точкой диполя, образуя симметрирующий стакан.
Устройство задержки выполнено в виде сосредоточенного ломаного удлинения проводников симметричной двухпроводной линии, которое может иметь от одного до нескольких колен.
Новизна предлагаемого технического решения антенны в части устройства усматривается в том, что приемный элемент возбуждения выполнен комбинированным, из разнородных антенных элементов, в виде шлейф-вибратора и параллельно подключенного классического вибратора-диполя, с проводниками расположенными в одной плоскости.
Новизна в части устройства усматривается в том, что разнородные антенные элементы в виде шлейф-вибратора с классическим диполем параллельно подключены посредством симметричной двухпроводной линии, при шунтовом включении диполя, используемом для согласования входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением кабеля.
Новизна в части устройства усматривается в том, что для фазировки устройство задержки выполнено в виде сосредоточенного ломаного удлинения проводников симметричной двухпроводной линии, при ее непосредственном типовом и шунтовом подключении разных вибраторов.
ср
Новизна в части устройства усматривается в том, что согласующее симметрирующее устройство приемного элемента возбуждения выполнено в виде коаксиального кабеля, причем на длине коаксиального кабеля, соизмеримой с 0,25λ., наружная изоляция обтянута дополнительной проводящей оплеткой, реализуя симметрирующий стакан.
Новизна в части устройства усматривается в том, что согласующее симметрирующее устройство приемного элемента возбуждения размещено по оси антенны, в зоне нулевого потенциала, и по оси симметрии проводникам симметричной двухпроводной линии, в пределах между вибраторами по высоте, с минимизацией размеров антенны и влияния на электрические характеристики антенного устройства.
Промышленная применимость предлагаемого технического решения усматривается в сравнительной простоте изготовления, повышенных электрических характеристиках, возможности использования в мелкосерийном производстве и для широкого распространения на промышленной основе при высоком конкурентоспособном уровне. В сравнении с известными аналогами и прототипом предлагаемая антенна выгодно отличается повышенной функциональностью, технико-эксплуатационными и экономическими характеристиками.
Предлагаемая универсальная симметрированная телевизионная антенна иллюстрируется чертежами, в том числе по результатам компьютерного моделирования в программе MMANA-GAL.
На фиг. 1 приведен схематический эскиз рулонной телевизионной антенны с двумя коленами задержки.
На фиг. 2 приведена компьютерная модель рулонной телевизионной антенны с одним коленом задержки.
На фиг. 3 приведены диаграммы направленности с КУ на фиксированных частотах.
На фиг. 4 приведен график изменения КСВ в рабочем частотном диапазоне.
ср
cp
Рулонная телевизионная антенна содержит приемный элемент возбуждения с точками возбуждения (а, b), выполненный, преимущественно, из токопроводящего скотча комбинированным в виде шлейф-вибратора 1 с параллельно подключенным диполем-вибратором 4, с длинами вибраторов соизмеримыми с 0,5λ, посредством соединения симметричной двухпроводной линии 2, при шунтовом включении через устройство задержки 3 в точки (с, d). Приемный элемент возбуждения расположен на поверхности подложки, реализованной из тонкого диэлектрического прозрачного рулонного материала. Вдоль оси симметрии (о, ol) антенны в зоне нулевого потенциала расположено согласующее симметрирующее устройство в виде коаксиального кабеля питания 6, параллельного двухпроводной линии 2. Кабель подключен центральной жилой и оплеткой к точкам возбуждения (a, b), а изолированная поверхность которого с началом от положения точек возбуждения (а, b), обтянута дополнительной оплеткой 5, соизмеримой по длине 0,25?i., и соединена своим окончанием с оплеткой кабеля питания и центральной точкой (ol) диполя 4.
Работает рулонная телевизионная антенна, изображенная схематическим эскизом (фиг. 1) по компьютерной модели (фиг. 2) следующим образом.
ср.
Максимальный уровень амплитуд сигналов со стороны прихода радиоволн, в предлагаемой антенне в виде шлейф-вибратора 1 с параллельно подключенным диполем 4, расположенных в одной плоскости, получится в том случае, когда их плоскость расположения будет параллельна фронту прихода радиоволн, то есть перпендикулярна направлению на телецентр. Это при условии, когда для обеспечения максимального уровня амплитуд принимаемых сигналов в точки возбуждения (а, b) наводимая электродвижущая сила (ЭДС) в проводниках от принимаемых сигналов от шлейф-вибратора 1 и диполя 4, будет приходить в одинаковой фазе, то есть суммироваться. Дополнительно к этому для уменьшения КСВ, максимальной передаче принятых сигналов к приемнику, требуется, чтобы сопротивление антенны в точках (а, b) подключения ее к коаксиальному кабелю питания 6 соответствовало волновому сопротивлению используемого коаксиального кабеля. Общеизвестно, что сопротивление шлейф-вибратора порядка 240-280 Ом, а сопротивление диполя - разрезного вибратора 72-73 Ома, то их параллельное подключение уменьшит общее сопротивление и не обеспечит согласования с телевизионным коаксиальным кабелем 75 Ом. Поэтому, для согласования сопротивления антенны в точках (а, b) при соединении с коаксиальным кабелем питания 6, увеличение параллельно подключенного, посредством симметричной двухпроводной линии 2, диполя 4, сопротивление подключения увеличено путем шунтового включения в точки (с, d). Кроме этого, такое подключение, с расстоянием точек включения от центра, относительно классического включения разрезного вибратора, вносит фазовый сдвиг. В свою очередь, для обеспечения сложения сигналов от шлейф-вибратора 1 и диполя 4 в фазе, в точках (а, b), с учетом сдвига по фазе, при шунтовом включении диполя в точки (с, d) и протяженности симметричной двухпроводной линии 2, для необходимого суммарного фазового сдвига, в двухпроводную линию включено устройство задержки 3. Симметрирование при переходе от точек возбуждения (а, b) на коаксиальный кабель питания 6 производится с помощью симметрирующего устройства, в виде симметрирующего стакана, с использованием обтяжки изоляции кабеля дополнительной оплеткой 5, соизмеримой по длине 0,25λ. Для сравнения, в данном техническом решении, несомненно, реализована синфазная решетка, скомбинированная из вибраторов различного типа, что должно влечь увеличенный КУ, который во многом зависит от поверхности абсорбции. В свою очередь, в целях уменьшения размеров антенны, при необходимости минимизации разноса вибраторов до длины симметрирующего устройства, происходит перекрытие областей абсорбции используемых вибраторов, что приводит к ограниченному увеличению коэффициента усиления, но при этом уменьшается расфазировка, что выгодно расширяет диапазон рабочих частот, как видно в таблице КУ (фиг. 3) и на графике изменения КСВ (фиг. 4).
ср.
В ориентированной на телецентр универсальной симметрированной телевизионной антенне в шлейф-вибраторе 1 и диполе 4 наводится ЭДС и, при шунтовом включении, для подгонки сопротивлений, в точки (с, d) диполя 4, через устройство задержки 3, с использованием симметричной двухпроводной линии 2, при параллельном подключении в точках (а, b), синфазно суммируются токи. К согласованному по сопротивлениям к волновому сопротивлению коаксиального кабеля в точках (а, b) симметричному выходу антенны подключена несимметричная линия коаксиального кабеля питания 6. Симметрирование осуществляется с помощью симметрирующего стакана в виде дополнительного экранирования коаксиального кабеля поверх изоляции обтянутой оплеткой 5 на протяжении, соизмеримом с 0,25λ. Качество работы универсальной симметрированной телевизионной антенны наглядно иллюстрируется графиками изменения КСВ и КУ (фиг. 3 и 4).
Из анализа приведенных графиков следует, что предлагаемая антенна работоспособна во всем телевизионном диапазоне длин радиоволн. Практически при неизменной диаграмме направленности во всей частотной полосе, выделенной для цифрового телевидения, КСВ плавно изменяется и меньше 1,75, а с ростом частот и меньше 1,25 при увеличении коэффициента усиления, что является потребным при использовании антенн в широком диапазоне частот и обеспечивает автономную работу без усилителя. В свою очередь, подключение телевизионного приемника через включенный в цепь кабеля питания внешний антенный усилитель в комплексе позволит улучшить характеристики до уровня многоэлементных антенн сложных конструкций и значительно повышенной стоимости. Доводы по работе антенны по предложенному техническому решению подтверждены результатами компьютерного моделирования и работой макетного образца. График изменения КСВ на фиг. 4 наглядно подтверждает улучшенное согласование в расширенной рабочей полосе частот, при сохранении направленности по диаграммам на фиг. 3, свидетельствует о полном решении поставленной задачи и выгодно выделяет от аналогов предлагаемое техническое решение. Простота изготовления устройства из доступных материалов и универсальность применения открывают перспективы ее широкого использования.