РАМОЧНАЯ АНТЕННА (ВАРИАНТЫ)
FRAME ANTENNA (VERSIONS)

Изобретение предназначено для использования в составе радиотехнических устройств для телевидения, радиовещания и радиосвязи в ОВЧ и УВЧ диапазонах.
Известна антенна типа двойной квадрат [1], состоящая из двух квадратных витков провода, расположенных в одной плоскости один над другим и соединенных друг с другом в смыкающихся углах.
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, однако позволяют работать только в одной поляризации.
Целью изобретения является создание универсального антенного по поляризации элемента повышенной направленности.
Для этого предлагается рамочная антенна, состоящая из витка провода, расположенного вдоль сторон двух квадратов, которые размещены вдоль общей диагонали один за другим, и разомкнутого в углах разных квадратов, лежащих на противоположных сторонах относительно общей диагонали, и разветвляющейся на два отрезка двухпроводной линии питания. Отрезки подключаются в центрах двух накрест лежащих проводов, общих для разных квадратов, и могут иметь одинаковую длину, либо различаться по своей длине на четверть длины электромагнитной волны.
Несколько витков могут устанавливаться вдоль одной оси параллельно друг другу на расстоянии около четверти длины волны и последовательно подключаться к двухпроводной линии питания. При этом ортогональные стороны подключаются через дополнительные отрезки длиной в четверть длины волны. К линии питания может быть подключен только первый виток, тогда другие витки, расположенные по одну сторону от первого, укорочены, а по другую - увеличены относительно первого. Параллельно первому витку может устанавливаться плоский проводящий экран (рефлектор).
На определенном расстоянии над первым витком может устанавливаться второй виток, чья диагональ перпендикулярна плоскости и основной диагонали первого витка.
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
- фиг.1 - рамочная антенна из одного витка;
- фиг.2 - рамочная антенна из нескольких витков, подключенных к линии питания;
- фиг.3 - рамочная антенна с рефлектором;
- фиг.4 - рамочная антенна из двух ортогональных витков.
Рамочная антенна состоит из витка провода 1-2-3-4-5-6-7-8-9-10, расположенного вдоль сторон двух квадратов 1-2-3-3-4-5 и 6-7-8-9-10 (фиг.1), и разветвляющейся на два отрезка двухпроводной линии питания (на чертеже не показана). Квадраты расположены вдоль общей диагонали 8-3 один за другим и разомкнуты в точках 4 и 7. Отрезки линии питания подключаются в точках 5-6 и 1-10. Длины отрезков могут быть равны, а могут различаться на четверть длины волны.
Параллельно первому витку 11 (фиг.2) соосно с ним, один за другим на расстоянии около четверти длины волны вдоль оси, перпендикулярной общей диагонали и проходящей через ее середину, могут быть расположены дополнительные витки 12, 13, 14 и т.д. При этом линия питания 15 подключена последовательно к длинным сторонам 11', 12' и т.д. Ортогональные стороны 11", 12" и т.д. подключены к линии питания 15 через отрезки длиной в четверть длины волны.
Витки 11,13, 14 и т.д. могут не подключаться к линии питания. В этом случае виток 11 должен быть удлинен относительно витка 12 (подключенного к линии питания), а витки 13, 14 и т.д. - укорочены относительно витка 12.
Параллельно витку рамочной антенны 16 (фиг.3) соосно с ним, вдоль оси, перпендикулярной общей диагонали витка и проходящей через ее середину, может быть установлен плоский проводящий экран (рефлектор) 17. Такой же рефлектор подобным образом может быть установлен в рамочной антенне, состоящей из нескольких витков.
На определенном расстоянии над первым витком 18 (фиг.4) может быть установлен второй виток 19, чья основная диагональ перпендикулярна плоскости витка 18 и его основной диагонали.
Рамочная антенна работает следующим образом. При подключении высокочастотного генератора к линии питания (на чертеже не показан) в витке провода 1-2-3-4-5-6-7-8-9-10 образуется стоячая волна тока. За счет того, что в углах 4 и 7 виток провода разомкнут, ток в этих углах будет отсутствовать, что соответствует узлам тока. Если частота колебания такова, что в стороне квадратов укладывается четверть длины волны, то в углах 3 и 8, а также в точках 5-6 и 1-10 будут находиться пучности тока, а в углах 2 и 9 - узлы тока. Примерный вид распределения тока вдоль проводов витка показан на фиг.1 пунктирной линией.
Виток рамочной антенны можно рассматривать как линейную эквидистантную решетку, образованную парами сегментов 4-3, 3-2, 4-5, 1-2, 9-10, 6-7 и 9-8, 8-7. Известно, что вектор напряженности поля, создаваемой в некоторой точке пространства линейным проводником, параллелен этому проводнику. Очевидно, что в этом случае векторы напряженности поля элементов 4-3-2 и 9-8-7 всегда будут сонаправлены друг с другом и ортогональны основной диагонали 3-8.
Поляризация поля элементов 4-5-1-2 и 9-10-6-7 зависит от способа подключения к ним линии питания. Если стороны 2-9 и 4-7 подключены к отрезкам двухпроводной линии питания таким образом, что ток в них течет в направлении от 9 к 2 и от 4 к 7 соответственно (фиг.1), то вектора напряженности поля указанных отрезков будут сонаправлены векторам поля элементов 4-3-2 и 9-8-7. В результате виток рамочной антенны будет эквивалентен синфазной решетке из четырех симметричных вибраторов, имеющей высокую направленность.
Если ток направлен от 9 к 2 и от 7 к 4, то векторы напряженности поля элементов 4-5-1-2 и 9-10-6-7 будут направлены вдоль основной диагонали 3-8. Таким образом, в результирующей решетке пары элементов будут работать в ортогональных поляризациях. Однако общая направленность антенны при этом снизится.
Если питание к одной из пар точек 1-10 или 5-6 будет подводиться через отрезок двухпроводной линии в четверть длины волны, то ток в проводах 9-2 и 4-7 будет сдвинут по фазе друг относительно друга на 90°. Такой же фазовый сдвиг будут иметь ортогональные составляющие результирующего вектора напряженности поля. В результате виток рамочной антенны будет иметь эллиптическую поляризацию.
Во всех случаях в плоскости, проходящей через диагональ 3-8 и перпендикулярной витку, максимумы диаграммы направленности рамочной антенны будут расположены на оси, ортогональной основной диагонали 3-8, по обе стороны от витка. Сама диаграмма направленности будет иметь вид восьмерки. В плоскости, ортогональной и витку, и диагонали 3-8, диаграмма направленности по вертикальной поляризации будет всенаправленной, по горизонтальной поляризации - иметь вид восьмерки.
При использовании нескольких витков, 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. Требуемое соотношение фаз в этом случае достигается либо за счет линии питания, либо за счет выбора размеров пассивных витков. В любом случае достигается высокая направленность излучения и устраняется один из максимумов излучения.
Система из двух витков (фиг.4), в которой второй виток установлен над первым витком так, чтобы его плоскость была ортогональна основной диагонали первого витка, обеспечивает почти всенаправленное излучение. Это достигается за счет компенсации нулей диаграммы направленности одного витка максимумами диаграммы направленности другого витка.
Диаграммы направленности рамочной антенны, полученные в результате моделирования, приведены в приложении:
- фиг.5 - диаграмма направленности в горизонтальной плоскости одновитковой антенны горизонтальной поляризации;
- фиг.6 - диаграмма направленности в вертикальной плоскости одновитковой антенны горизонтальной поляризации;
- фиг.7 - диаграмма направленности в горизонтальной плоскости одновитковой антенны вертикальной поляризации;
- фиг.8 - диаграмма направленности в вертикальной плоскости одновитковой антенны вертикальной поляризации;
- фиг.9 - диаграмма направленности в горизонтальной плоскости одновитковой антенны круговой поляризации;
- фиг.10 - диаграмма направленности в вертикальной плоскости одновитковой антенны круговой поляризации;
- фиг.11 - диаграмма направленности в горизонтальной плоскости всенаправленной рамочной антенны;
- фиг.12 - диаграмма направленности в вертикальной плоскости всенаправленной рамочной антенны.
Здесь горизонтальной является плоскость, ортогональная основной диагонали, вертикальной - плоскость, проходящая через эту диагональ, но ортогональная плоскости витка. Кривая "1" соответствует горизонтальной поляризации, "2" - вертикальной поляризации.
Моделирование проводилось на центральной частоте 1000 МГц. Для моделирования использовалась программа MMANA-GAL 1.2.0.20.
Таким образом, рамочная антенна является универсальным антенным элементом высокой направленности, способным работать в различных поляризациях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ротхаммель К., Кришке А. Антенны. Том 2: Пер. с нем. - М.: ДАНВЕЛ, 2005. - с.170-171.
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.