ДИАПАЗОННАЯ НАПРАВЛЕННАЯ АНТЕННА

Область техники, к которой относится полезная модель
Заявляемое техническое решение относится к радиотехнике и касается конструкции антенны, предназначенной для направленного излучения и приема сигналов в метровом и дециметровом диапазонах длин волн.
Уровень техники
Известна диапазонная направленная антенна (см. описание к авт.св-ву №138277, опубл. 1961 г.), включающая плоский экран и зигзагообразные проводники, замкнутые между собой концами, при этом полотно антенны перед экраном поддерживают металлические стойки, установленные в точках соединения проводников (в точках нулевого потенциала). Питающий фидер антенны, выполненный на основе 75-омного коаксиального кабеля, проходит от точки нулевого потенциала вдоль одного из зигзагообразных проводников и подключен к общей разомкнутой вершине двух, образованных зигзагообразными проводниками, ромбических ячеек антенны: наружной оплеткой к тому проводнику, вдоль которого он был проложен, а внутренним проводом - ко второму проводнику антенны.
Эффективность такой антенны ограничена следующим. С целью повышения эксплуатационных свойств антенны желательно, чтобы конструкция имела небольшие габариты, но для получения максимально возможного коэффициента усиления необходимо увеличение размеров излучателя. Однако, если размеры излучателя больше рекомендуемых размеров, то такой излучатель плохо согласуется с 75-омным кабелем, так как имеет высокую активную и реактивную составляющую входного сопротивления. Проблема согласования возникает и при сближении полотна антенны с плоскостью экрана, что является желательным по габаритным и эксплуатационным показателям, но также ведет к увеличению реактивной составляющей. Изложенное обусловливает то, что конструкция описанной выше антенны характеризуется невысоким коэффициентом усиления.
н
тр
н.
Известна зигзагообразная антенна, конструкция и характеристики которой описаны в книге К.П.Харченко. УКВ антенны. М., Изд-во ДОСААФ, 1969, стр.77-96. Полотно зигзагообразной антенны состоит из восьми замкнутых одинаковых проводников, которые образуют две ромбовидные ячейки. Практически, полотно антенны может быть образовано проводниками, которые сформированы в виде совокупности тонких параллельных проводов из проволоки или антенного канатика (см. стр.80), или выполнены из плоских планок (см. стр.94). Зигзагообразная антенна имеет одну пару клемм, к которой непосредственно подключается коаксиальный кабель питания, который прокладывается через точку нулевого потенциала и по проводникам полотна антенны подводится к упомянутым клеммам. Здесь оплетка кабеля гальванически соединяется с одной из клемм антенны, а центральный проводник - с другой клеммой. Для увеличения направленности антенны, состоящей из зигзагообразного полотна, применяют плоский экран-рефлектор, отражающий часть высокочастотной энергии, падающей на экран, в сторону полотна антенны. Рефлектор представляет собой ряд проводников, расположенных в одной плоскости и параллельно вектору поля Е. Для получения приемлемого согласования такой антенны с 75-омным кабелем питания, и в широком диапазоне частот, полотно излучателя следует располагать от экрана на расстоянии S>0,18 λ,. Увеличение этого расстояния снижает коэффициент направленного действия, и при этом сужается диапазон частот, в пределах которого направленные свойства зигзагообразной антенны не претерпевают заметных изменений. Таким образом, для конструкции зигзагообразной антенны, описанной в книге К.П.Харченко, являющей по конструктивным признакам очень близкой к решению по авт.св-ву №138277, присущи те же проблемы, что и для диапазонной направленной антенны по авт.св-ву №138277. В конструкции, описанной в книге К.П.Харченко, согласование зигзагообразной антенны с 75-омным кабелем улучшено при помощи трансформатора сопротивлений, включенного между антенной и фидером. Трансформатор сопротивлений выполнен из отрезка коаксиального кабеля с геометрической длиной l=0, 057-0,083λ, и характеризуется волновым сопротивлением W=90-100ом. Применение трансформатора позволяет приблизить полотно антенны к
н
экрану до 0,13-0,16 λ. Однако в этой конструкции также не достигнут максимально возможный коэффициент усиления.
Аналогичная по конструкции антенна охарактеризована в книге И.П. Онищенко. «Приемные телевизионные антенны», М. ДОСААФ, 1989 г.стр.80-82. Антенна состоит из зигзагообразного излучателя, фидера снижения, выполненного из коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом, и проложенного по одному из внутренних проводов излучателя антенны до точки питания, рефлектора в виде решетки из ряда параллельных проводов. Размеры антенны подобраны с учетом ее работы в диапазоне частот 1-5-го телевизионных каналов, и в диапазоне частот 6-12 го телевизионных каналов. Этой антенне присущи те же недостатки, что и выше охарактеризованным решениям.
н
В качестве прототипа заявляемого решения зигзагообразной антенны принята диапазонная направленная антенна (см. книгу В.П.Кисмерешкин. Телевизионные антенны для индивидуального приема. М., Изд-во «Радио и Связь», 1982 г., стр.25-31, стр.56-57), конструкция которой включает зигзагообразный излучатель и плоский рефлектор, при этом полотно излучателя размещено параллельно плоскости рефлектора. Вдоль одного из изгибов излучателя и от одной из точек нулевого потенциала к точке питания антенны пропущен кабель фидера, на конце которого, примыкающем к упомянутой точке питания, выполнено трансформирующее звено - трансформатор входных сопротивлений. Электрическая длина трансформирующего звена выбрана меньшей, чем λ/4. Полотно антенны выполнено с согласующими неоднородностями в виде конструктивных элементов, не приводящих к заметному изменению диаграмм направленности антенны. В решении, принятом за прототип, согласующие неоднородности выполнены в виде металлических отрезков, размещенных либо на проводниках излучателя, либо симметрично в ромбических ячейках излучателя (см. стр.29 вышеуказанного источника информации). Кроме того, из этого же источника (см. стр.31) известно исполнение излучателя, при котором стороны ромбических ячеек излучателя, примыкающие к клеммам питания, выполнены из нескольких верно исходящих от упомянутых клемм проводников.
Также как и во всех выше описанных аналогах, недостатком конструктивного решения антенны, принятой за прототип, является недостаточно высокий коэффициент усиления.
Раскрытие полезной модели
Заявляемой полезной моделью решается задача создания диапазонной направленной антенны с максимально возможным коэффициентом усиления.
н
н
Н
Как отмечено выше, известно, что с увеличением геометрических размеров зигзагообразной антенны увеличивается коэффициент ее усиления, однако при увеличении размеров излучателя резко возрастает активная и реактивная составляющие входного сопротивления, и при использовании 75-омного кабеля, как наиболее распространенного, с увеличением габаритов антенны возникает проблема согласования волнового сопротивления этого кабеля и сопротивлений (активного и реактивного) на клеммах питания излучателя. Известна зависимость коэффициента бегущей волны (КБВ) от отношения S/λ. (где: S -размер зигзагообразного излучателя в плоскости вектора Н в долях длины волны, λ -длина волны соответствующей частоты рабочего диапазона), и аналогичная зависимость коэффициента направленного действия (КНД), (см. фиг..1, кривая I - КБВ, кривая II - КНД). Эти зависимости предопределяют оптимальные геометрические размеры излучателя, при которых антенна характеризуется максимумом КБВ и соответствующим КНД. Эти размеры, а именно, размеры при которых зависимость S/λ находится в пределах 0,75-0,91 являются рекомендуемыми. Увеличение геометрических размеров излучателя, как это видно из представленных на фиг.1 графиков I и II, приводит к увеличению КНД, и, следовательно, и к повышению коэффициента усиления антенны, однако, при увеличении геометрических размеров излучателя КБВ идет на спад, и это отрицательно влияет на тот же коэффициент усиления, т.е. на эффективность антенны в целом. Поэтому зигзагообразные излучатели диапазонных направленных антенн и их рефлекторы изготавливают, руководствуясь вышеуказанными рекомендуемыми размерами.
Кроме того, увеличение размеров излучателя предопределяет его неустойчивость в пространстве, слишком большой излучатель при закреплении к рефлектору посредством боковых стоек прогибается в центральной части, в
итоге полотно антенны отклоняется от плоскости, параллельной плоскости рефлектора, что отрицательно сказывается на электрических свойствах антенны. Решаемой задачей заявляемой полезной модели является устранение этих противоречий.
Техническим результатом заявляемого решения является то, что благодаря нижеизложенной совокупности существенных конструктивных признаков, получена диапазонная направленная антенна с максимально возможным коэффициентом усиления, при этом решена проблема согласования 75-омного кабеля питающего фидера и излучателя, выполненного с размерами, большими, чем рекомендуемые, а также достигнуто устойчивое положение полотна зигзагообразного излучателя, относительно плоскости рефлектора.
Поставленная задача с получением вышеуказанного технического результата решена за счет того, что, в диапазонной направленной антенне, содержащей плоский рефлектор и закрепленный на нем посредством смонтированных в точках нулевого потенциала боковых стоек излучатель, полотно которого параллельно плоскости рефлектора и сформировано зигзагообразными проводниками, образующими ромбические ячейки, размещенные симметрично относительно точки питания с подключенным к ней кабелем, заканчивающимся трансформатором входных сопротивлений, причем стороны ромбических ячеек излучателя, примыкающие к точке питания, выполнены, по меньшей мере, из двух веерно исходящих от точки питания проводников, а в ромбических ячейках излучателя размещены согласующие неоднородности в виде параллельных вектору напряженности электрического поля металлических отрезков, согласно заявляемой полезной модели металлические отрезки закреплены на проводниках, проходящих внутри ромбических ячеек излучателя (т.е. один конец металлического отрезка закреплен на проводник, а другой конец - свободно размещен вблизи продольной оси симметрии излучателя), при этом антенна снабжена дополнительной стойкой, связывающей через диэлектрик центральную часть излучателя с рефлектором.
Таким образом, за счет иной, чем в известных решениях, установки согласующих неоднородностей излучателя удалось снизить реактивное
н
н
н
сопротивление излучателя, выполненного существенно больших, чем рекомендуемые, размеров. При этом для согласования активного сопротивления был использован, также как и в прототипе, трансформатор входных сопротивлений, выполненный из 100-омного кабеля. При применении в качестве питающего 75-омного кабеля, наилучшее согласование активного сопротивления достигнуто при исполнении трансформатора с электрической длиной 0,25 λ -0,1 λ., где λ - длина волны нижней частоты рабочего диапазона.
н
н
н
н
При конкретном исполнении заявляемого решения является предпочтительным выполнить излучатель с размером в плоскости вектора напряженности магнитного поля (S) равным 0,98 λ, при этом полотно излучателя целесообразно разместить от плоскости рефлектора на расстояние, равное 0,13 λ, (λ - длина волны нижней частоты рабочего диапазона).
н
н
н
Также предпочтительным является выполнение излучателя из трубки, преимущественно из алюминиевого сплава, имеющей диаметр 0,015-0,03 λ, при этом целесообразно выполнить согласующие неоднородности в виде отрезков такой же трубки длиной 0,08-0,12 λ, и разместить их на внутренних проводниках на расстоянии от точек питания, равном 0,1-0,15 λ.
Рефлектор заявляемой антенны может быть выполнен в виде совокупности параллельных проводников, т.е. также как и в известных решениях. Вместе с тем, поставленная задача решается, и вышеуказанный технический результат достигается при выполнении поля рефлектора из токопроводящей сетки.
Возможна, и является более целесообразной, реализация заявляемого решения с двумя параллельно размещенными зигзагообразными излучателями, полотна которых параллельны плоскости рефлектора. То есть направленная диапазонная антенна, выполненная так, как это описано выше, содержит еще один, дополнительный, излучатель, выполненный и установленный аналогично и параллельно первому излучателю. В этом случае к точкам питания каждого излучателя подведено по выполненному с трансформатором входных сопротивлений коаксиальному 75-омному кабелю, а оба кабеля через делитель мощности связаны с антенным фидером.
н
н
Е
н
н
н
Предпочтительными геометрическими размерами такой антенны являются следующие. Каждый излучатель антенны выполнен с размером в плоскости вектора напряженности магнитного поля (S) равным 0,98 λ, оба излучатели установлены таким образом, что расстояние между ними в плоскости вектора электрического поля (d) равно 0,75- 0,85 λ, при этом полотно каждого излучателя размещено от плоскости рефлектора на расстояние, равное 0,13 λ, где λ - длина волны нижней частоты рабочего диапазона.
Краткое описание чертежей
Заявляемое техническое решение поясняется следующими чертежами:
На фиг.1 представлены графики, иллюстрирующие зависимости КНД (кривая I), КБВ в прототипе (кривая II) и КБВ в заявляемой антенне (кривая III);
На фиг.2 - общий вид (аксонометрия) антенны, включающей один излучатель, при исполнении рефлектора в виде системы параллельных проводников;
На фиг.3 - то же, вид в плане;
На фиг.4 - вид А на фиг.3;
На фиг.5 - фрагмент Y, увеличен и в разрезе;
На фиг.6 - общий вид (аксонометрия) антенны, включающей два излучателя, при исполнении рефлектора из токопроводящей сетки.
Осуществление полезной модели
Диапазонная направленная антенна, конструкция которой представлена на иллюстрирующих заявляемое решение чертежах (см. фиг.2 и фиг.3), содержит плоский рефлектор 1 и излучатель 2, полотно которого, сформированное зигзагообразными проводниками 3 и 4, расположено в плоскости, параллельной плоскости рефлектора 1. Зигзагообразные проводники 3 и 4 образуют две ромбические ячейки излучателя 2, размещенные симметрично относительно точки питания 5. Рефлектор 1 может быть выполнен из алюминиевых полос 6, или из токопроводящей ячеистой сетки (см. фиг.6), закрепленных на раме 7 из металлического уголка. Излучатель 2 смонтирован на рефлекторе 1, при этом
он закреплен на средней планке 8 рамы 7 с помощью боковых стоек 9, установленных в точках нулевого потенциала излучателя 2, и с помощью центральной, поддерживающей излучатель 2 в центральной его части, стойки 10 (см. фиг.4). К точке питания 5 подключен 75-омный кабель 11 (на чертежах показан пунктиром). Кабель выполнен с трансформатором 12 входных сопротивлений
Стороны ромбических ячеек излучателя 2, примыкающие к точке питания 5, выполнены с дополнительными проводниками 13. Эти проводники образуют центрально-симметричные лучи, веерно исходящие от точки питания 5. В ромбических ячейках, на одном из проводников 13, закреплены согласующие неоднородности в виде металлических отрезков 14. Отрезки 14 расположены в плоскости полотна излучателя 2, закреплены одним концом на соответствующем проводнике 13, таким образом, что металлический отрезок в одной ромбической ячейке свободным концом противонаправлен отрезку, размещенному в другой ячейке. Дополнительная стойка 10 соединена с излучателем 2 через корпус 15 (см, фиг.5), закрывающий точку питания и выполненный из диэлектрического материала (пластмассы).
н
н
p
н
При исполнении антенны с одним излучателем (так как показано на фиг.2 и фиг.3) излучатель имеет геометрические размеры, при которых S - не менее 0,98 λ, при этом полотно излучателя 2 размещено от плоскости рефлектора 1 на расстоянии d, равном 0,13 λ.
н
н
н
н
н
Излучатель выполнен из трубки алюминиевого сплава, например, АМГ или АМЦ, диаметром от 0,015 λ до 0,03 λ. Увеличение диаметра трубки ведет к нецелесообразному увеличению материалоемкости и веса антенны, а уменьшение приведет к снижению конструктивной прочности. Размещенные на дополнительных проводниках 13 неоднородности в виде металлических отрезков (стержней) 14 выполнены из такой же трубки, имеют длину от 0,08 λ до 0,12 λ и размещены на проводниках 13 с отступом от точки питания 5, равном 0,1-0,15 λ.
н
н
Трансформатор 12 входных сопротивлений выполнен из 100-омного кабеля и имеет электрическую длину от 0,25λ до 0,1 λ. Совокупность влияния дополнительных проводников 13, размещенных на них вышеописанных
н
неоднородностей, и трансформатора с вышеуказанной электрической длиной, обеспечивает максимальное согласование, и, таким образом, позволяет выполнить излучатель размерами более 0,98 λ с высоким уровнем согласования (см. график III на фиг.1), т.е. получить конструкцию диапазонной направленной антенны с максимально возможным коэффициентом усиления.
Е
н
н
н
Заявляемое решение полезной модели может быть реализовано с двумя излучателями 2 и 2', полотна которых расположены в одной плоскости, параллельной плоскости рефлектора 1. Излучатели характеризуются теми же геометрическим размерами, при этом установлены таким образом, что расстояние между ними в плоскости вектора электрического поля (d) равно 0,75- 0,85 λ. Полотно каждого излучателя размещено от плоскости рефлектора на расстояние, равное 0,13 λ, где λ - длина волны нижней частоты рабочего диапазона. Установка второго излучателя позволила увеличить коэффициент усиления антенны на 2,5 дБ.
н
н
При исполнении антенны с двумя излучателями (см. фиг.6), она имеет делитель мощности, выполненный на отрезках коаксиальных линий в корпусе из алюминиевой трубы D40 мм с входным разъемом СР50 - 165ФВ и двумя разъемами СР75-166ФВ (снаружи коаксиальный кабель заканчивается разъемом СР75-154 ФВ, который подключается к одному из выходных разъемов типа СР75-166ФВ делителя мощности) при этом трансформаторы входных сопротивлений выполнены из 100-омного кабеля и каждый имеет электрическую длину 0,25 λ - 0,1 λ. В связи с известностью таких решений на чертеже эти узлы не показаны.
Антенна, включающая два излучателя, работает следующим образом.
На вход согласованного делителя мощности поступает сигнал с радиопередатчика через антенный фидер. Делитель делит сигнал синфазно и равноамплитудно. По коаксиальным кабелям сигнал поступает на излучатели 2 и 2' и излучается в виде электромагнитных волн в пространство.
Экспериментально было установлено, что антенна, выполненная согласно вышеописанной конструкции, в диапазоне частот 390-470 МГц, обеспечивает КБВ не менее 0,6 (см. фиг.1, график III).