Зигзагообразный излучатель с ассиметричным питанием
ZIGZAG RADIATOR WITH ASYMMETRIC POWER SUPPLY

Изобретение относится к антенной технике и касается конструкции зигзагообразного излучателя и может быть использован в качестве отдельной диапазонной антенны, так и для создания сложных антенных систем, а также в качестве отдельных приемных антенн эфирного цифрового телевидения, внешних антенн для Wi-Fi устройств и в других системах радио-телекоммуникаций. Схема подключения питания может быть применена и при реализации других антенных устройств.
Актуальность предлагаемой разработки для использования в системах эфирного телевидения обусловлена всевозрастающими требованиями к расширению парка наружных антенн для приема цифровых мультиплексов. Особенно в плане совмещения с работой спутниковых систем в единой коммуникационной единице для использования совместной кабельной сети снижения, что позволяет в два раза уменьшить использование кабельной продукции и упростить решение компоновочных задач на объекте установки за счет сокращения числа монтажно-крепежных узлов. Для Wi-Fi устройств и радиотехнических систем более высоких диапазонов частот заявляемое техническое решение позволяет увеличить радиусы электромагнитной доступности при работе в сложной электромагнитной обстановке в сравнении с применяемыми дипольными антеннами.
Зигзагообразные телевизионные антенны известны тем, что обладают сравнительно постоянными параметрами, удовлетворительно согласуемыми с фидерами и неизменными коэффициентами усиления в широком диапазоне частот («Все об антеннах». Справочник / Сост. В.И. Назаров, В.И. Рыженко - М.: Издательство Оникс, 2007, стр. 71-83, рис. 35). Например, излучатели, состоящие из равнобедренных треугольных незамкнутых рамок, расположенных в одной плоскости вдоль общей оси и соединенные между собой разомкнутыми углами с образованием точек питания. Коаксиальный кабель питания вводится в точке нулевого потенциала и прокладывается до точек питания внутри одной из трубок полотна. Экран кабеля присоединяется к одной трубке, а жила кабеля - к противоположной трубке. Такие конструкции антенн, являющиеся дальнейшим развитием классического технического решения, так называемых антенн Харченко (А.с. СССР №138277, опубл. 01.01.1961), обеспечивают с удовлетворительным согласованием широкую полосу рабочих частот при достаточно высоком коэффициенте усиления.
В диапазоне частот эфирного телевидения, где преимущественно для цифровых мультиплексов используется дециметровый диапазон длин волн, треугольные полотна антенн, зачастую изготовленные из металлических трубок, не обеспечивают прокладку коаксиального кабеля с запредельными в углах от норм радиусами изгиба, а способы их пропуска в каналах трубок не достаточно технологичны. В диапазонах более высоких частот, где сечения проводников малы, не представляется возможностей их использовать трубчатыми, с проложенными внутри кабелями питания.
Известен зигзагообразный излучатель (Пат. РФ №78987, опубл. 10.12.2008), полотно которого сформировано выполненными из металлической трубки зигзагообразными проводниками, образующими, по меньшей мере, две ромбические ячейки, размещенные симметрично относительно точки питания, и дополнительными проводниками, размещенными внутри упомянутых ячеек.
В известном техническом решении упрощен вывод кабеля в точках питания, ослабляющий конструкцию, а дополнительные проводники как раз и предназначены преимущественно для повышения механической надежности устройства и обеспечивают повышенную жесткость антенны. Однако они не устраняют прокладки питающего коаксиального кабеля внутри трубчатых проводников, а в комплексе ограничивают излучатель использованием по высоким частотам диапазоном дециметровых длин волн.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является конструкция облучателя семейства антенн (Пат. РФ №173639, опубл. 04.09.2017, Пат. РФ №126201, опубл. 20.03.2013), содержащего двойной треугольный вибратор, включающий по крайней мере, пару расположенных в одной плоскости и соединенных между собой незамкнутых рамок с присоединенным к одной из точек соединения рамок дополнительным полувибратором, проведенным параллельно и рядом с противоположной стороной рамки до места крепления вибратора с устройством узла питания в зоне нулевого потенциала.
Техническое решение известного устройства с дополнительным полувибратором обеспечивает удобство подвода и подключения коаксиального кабеля питания, но значительно занижает электрические характеристики антенны из-за того, что дополнительный полувибратор на самом деле является двухпроводной линией питания, которая, как известно, не излучает, то есть блокирует излучение целой четверти полотна антенны. При этом одна из рамок, оставшаяся симметричной, с симметричным питанием, обеспечивает режим работы антенны с некоторым изменением амплитуд в проводниках из-за изменения нагрузок плеч по питанию, а половина незаблокированной наклонной стороны второй рамки кроме излучения горизонтальной составляющей компонент электромагнитного поля, излучает и вертикальную составляющую, внося паразитную вертикальную поляризацию. Вследствие всего этого нарушается симметрия диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и отклонение от оси антенны максимума излучения по мере возрастания используемых частот в рабочем диапазоне, достигающего на высоких частотах дециметрового диапазона телевидения до 25 градусов.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в симметрировании диаграммы направленности, повышении надежности с упрощением конструкции и электрического питания и упрощений технологии изготовления и эксплуатации подобных зигзагообразных антенн.
Для достижения указанного технического результата в зигзагообразном излучателе с ассиметричным питанием, с сформированным зигзагообразными проводниками полотном в виде двойного треугольного вибратора, образованном, по меньшей мере, в виде двух соединенных между собой незамкнутых рамок, размещенных вдоль общей оси, к одной из точек соединения рамок присоединен дополнительный проводник, проведенный с противоположной стороны рамки до угла основания треугольника. Этот проводник, проведенный вдоль стороны треугольника, вместе с ней образует двухпроводную линию и оканчивается первой клеммой питания, с устройством второй клеммы питания на проводнике основания треугольника, вблизи его угла. Коаксиальный кабель питания к точкам питания проложен по линии нулевого потенциала, пересекающей центр основания треугольника и по основанию треугольника, до точек питания, где центральным проводником соединен с первой клеммой питания, а экранным проводником присоединен ко второй клемме питания на проводнике основания треугольника.
В техническом решении повышена надежность с упрощением конструкции и электрического питания за счет того, что к одной из точек соединения рамок присоединен дополнительный проводник, проведенный с противоположной стороны рамки до угла основания треугольника. Этот проводник, в отличие от классического присоединения с проложенным внутри трубчатого излучателя и выходом коаксиального кабеля в изгибе, через специальное отверстие и устройством клемм питания, всего на всего имеет гальванический контакт в месте соединения рамок. Он имеет открытую прокладку и может быть присоединен любым известным способом с доступной технологией, а при эксплуатации позволяет упрощенно производить диагностику. Дополнительный проводник, проведенный вдоль стороны треугольника, вместе с ней образует двухпроводную линию, что может реализовываться параллельной прокладкой с постоянным волновым сопротивлением линии или с угловым расположением проводников в виде известного экспоненциального трансформатора для согласования сопротивлений питающего кабеля через двухпроводную линию с точками, соединенных между собой незамкнутых рамок. В свою очередь, двухпроводная линия может иметь конструкцию как из проводников одного диаметра, так и из разных, что позволяет использовать дополнительный проводник излучателя с меньшим диаметром и упростить изготовление и устройство подключения кабеля. Переход коаксиального кабеля в двухпроводную линию в месте устройства клемм питания с присоединением экранного проводника ко второй клемме питания на проводнике основания треугольника, создает неоднородность с «вытеканием токов» на экран и проводник основания, то есть своеобразный ответвитель.
Отличительными признаками, как определяющими новизну предлагаемого зигзагообразного излучателя с ассиметричным питанием, так и от выше указанного известного с дополнительным полувибратором прототипа, наиболее близкого к нему, являются:
- дополнительный присоединенный проводник не несет функций полувибратора, а является двухпроводной линией и проложен только вдоль боковой стороны без продолжения на основание;
- двухпроводная линия является универсальной по конструкции подключения, с использованием дополнительного присоединенного проводника с возможностью не равного по диаметру проводникам сторон излучателя;
- двухпроводная линия является универсальной по согласованию, обеспечивающая подключение к излучателю коаксиальных кабелей разных волновых сопротивлений с варьированием волновым сопротивлением двухпроводной линии;
- подключение с переходом коаксиального кабеля в двухпроводную линию в месте устройства клемм питания вблизи угла треугольника, на окончании его основания, с ответвлением, то есть изменением энергетического состояния вдоль фидера, создает в этом месте дополнительный источник питания по напряжению, в дополнение к основному источнику питания по току в месте, где соединяются между собой незамкнутые рамки;
- сдвиг фаз между источниками за счет протяженности двухпроводной линии соизмерим с четвертью длины волны, что является необходимым условием для синфазной работы участвующих в излучении проводников;
- в активном режиме излучателя ответвленная энергия от своеобразного дополнительного источника питания возбуждает проводник основания треугольника и экранирующий проводник коаксиального кабеля питания и излучает электромагнитные волны горизонтальной поляризации;
- размещение питающего кабеля в таком случае возможно универсальным, как при положении над проводником основания треугольника с устройством опорного изолятора для клеммы питания дополнительного проводника, так и под проводником основания треугольника, с устройством проходного изолятора, через проводник основания треугольника;
- размещение питающего кабеля в таком случае возможно и под углом, со снижением от части основания к линии симметрии, так как наклонный экранирующий проводник будет излучать электромагнитные волны, разлагающиеся на составные: - вертикальную и горизонтальную поляризации, частично компенсируя выведенную из работы сторону излучателя устройством двухпроводной линии.
Промышленная применимость заявленного технического решения усматривается в сравнительной простоте изготовления, тиражирования и эксплуатации, в высоких электрических показателях, как в виде самостоятельной антенны, так и в составе сложных антенных устройств, возможности использования на промышленной основе и конкурентоспособном уровне.
Предлагаемый зигзагообразный излучатель с ассиметричным питанием иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-5.
На фиг. 1 представлен эскиз зигзагообразного излучателя с ассиметричным питанием, на фиг. 2 приведены диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскости, на фиг. 3-4 приведены основные параметры: - коэффициенты усиления, защитного действия и согласования, на фиг. 5 -фото зигзагообразного излучателя с ассиметричным питанием
Предлагаемый зигзагообразный излучатель с ассиметричным питанием имеет полотно, которое сформировано в виде двойного треугольного вибратора зигзагообразными проводниками. Они образуют, по меньшей мере, две соединенные между собой незамкнутые рамки 1 и 2 (фиг. 1). Рамки 1, 2 размещены вдоль общей оси (А-Б). К точке 3 соединения рамок 1 и 2 присоединен дополнительный проводник 4. Дополнительный проводник 4 проведен с противоположной стороны рамки 2 от точки 3 до угла 5 основания треугольника 6. Этим проводником 4 совместно с проводником стороны треугольной рамки 2 образована двухпроводная линия 7. Она оканчивается первой клеммой 8 питания, с устройством второй клеммы 9 питания на проводнике основания треугольника 6 вблизи угла 5 треугольника. Коаксиальный кабель 10 питания проложен по линии нулевого потенциала, вдоль общей оси (А-Б), пересекающей центр 11 основания треугольника 6 и по основанию треугольника 6 до клемм 8, 9 питания. Центральным проводником коаксиальный кабель 10 питания соединен с первой клеммой 8 питания, а экранным проводником присоединен ко второй клемме 9 питания на проводнике основания треугольника 6.
Зигзагообразный излучатель с ассиметричным питанием работает следующим образом.
При подключении высокочастотного генератора (на эскизе не показан) к коаксиальному кабелю 10 питания, по нему потекут токи и дойдя до клемм 8 и 9 питания зигзагообразного излучателя далее потекут по двухпроводной линии 7 до точек соединения между собой незамкнутых рамок 1 и 2 и далее по проводникам последних, излучая электромагнитные волны горизонтальной поляризации, как это известно, из широкого круга описаний работы зигзагообразных антенн. Однако проводник стороны, вдоль которой проложен дополнительный проводник 4, будет заблокирован, принимать участия в излучении не будет, так как с дополнительным проводником 4 они составляют фидерную двухпроводную линию 7, которая не излучает. Поэтому, нейтрализация одного из наклонных проводников, из-за участия в излучении противоположного, кроме уменьшения общего уровня излучения электромагнитных волн горизонтальной поляризации, не компенсирует вертикальную и проявляется в виде паразитной поляризации. В свою очередь, переход коаксиального кабеля 10 в двухпроводную линию 7 в месте устройства клемм 8 и 9 питания, с присоединением экранного проводника ко второй клемме 9 питания, создает неоднородность с «вытеканием токов» на экранный проводник, который с проводником основания 6 принимают участие в излучении. Они компенсируют внесенные двухпроводной линией 7 потери, увеличивая уровень излучения электромагнитных волн с горизонтальной поляризацией. Таким образом, за счет частичного ответвления токов, при переходе от ассиметричной кабельной линии 10 к двухпроводной 7 и усиленным излучением проводником основания 6 треугольной рамки 2 и экранирующим проводником кабеля 10, восстанавливается нарушенный баланс плеч излучателя по излучению электромагнитных волн с горизонтальной поляризацией, оставляя диаграмму направленности практически осесимметричной. Это подтверждается графическим материалом по результатам электронного моделирования в дециметровом участке длин радиоволн эфирного телевидения, что показано на фиг. 2.
Доводы полностью подтверждают анализ работы технического решения по изобретению на основании результатов компьютерного моделирования основных параметров показанных на фиг. 3 и 4.
Создан действующий макет заявляемого в качестве изобретения зигзагообразного излучателя с ассиметричным питанием (фиг. 5), который при практических испытаниях полностью подтвердил результаты электронного моделирования.