Универсальная симметрированная телевизионная антенна
UNIVERSAL BALANCED TV ANTENNA

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве компактной широкодиапазонной антенны, преимущественно оконной, в системах телевидения, для приема сигналов эфирного телевизионного вещания в жилых помещениях и сооружениях, а также на дачах или в транспортном варианте, при устройстве мест телевизионного приема, удаленных от населенных пунктов.
Эффективность функционирования телевизионных приемников во многом зависит от функционального сочетания телевизоров 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.
Безусловно, наружные антенны, находящиеся за пределами среды комфорта, наиболее предпочтительны для использования и дополнительно к тому, не требуют тесных рамок по габаритам и весовым характеристикам, чтобы конструктивно своими параметрами обеспечивать качественный телевизионный прием на требуемых расстояниях. У комнатных 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 этого стали все шире использоваться 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.
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/6006b6ee3c18ee01068f7d43), 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 коэффициент 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.
Известна телевизионная антенна (Пат. РФ №161457, опубл. 04.2016). Антенна содержит симметричную линию с вибраторами на основе текстолитовой пластины и упрощенное симметрирующее устройство, выполненное в виде монтажного провода у которого один конец соединен с вибратором, а другой конец соединен с подвижной клеммой, установленной на участке обнаженной экранной оплетки кабеля и регулирующей длину волны для приема сигналов.
Недостатком известной антенны является, из-за узкой полосы пропускания, не обеспечивающей прием телевизионных сигналов во всем телевизионном диапазоне радиоволн, необходимость подстройки антенного устройства для обеспечения приема телевизионных рабочих частот выбранных мультиплексов.
Известна зигзагообразная антенна Харченко (Варианты зигзагообразной антенны Харченко/https://www.radioradar.net/radiofan/antenns/options_zigzag_kharchenko_antenn.html, 02.12.2014). В известной версии антенны, при применении одиночного вибратора, обеспечивается симметрирование и согласование, необходимые КСВ и КУ для использования и без усилителя.
Недостатком известной антенны является суженый диапазон рабочих частот с перекрытием не более половины используемого частотного диапазона радиоволн цифрового телевизионного вещания и относительно большая размерность по вертикали.
Наиболее близкой является телевизионная антенна (Пат. РФ №76504, опубл. 20.09.2008), включающая, по меньшей мере, один приемный элемент возбуждения, закрепленный или выполненный на поверхности тонкой диэлектрической подложки, точки возбуждения которого через согласующее устройство соединены с разъемом для подключения приемной аппаратуры.
Недостатками прототипа, вопреки предельной простоте изготовления плоских дипольных элементов и подложки, компактности и дешевизны, является необходимость внешнего согласующего устройства за пределами основной конструкции антенны и кабельная коммутация к нему и разъему, а также, низкий КУ и работа в ограниченном участке диапазона длин радиоволн, не перекрывающем частотный диапазон цифрового телевизионного вещания.
Технический результат, на достижение которого направлено техническое решение, состоит в улучшении согласования в расширенной рабочей полосе частот, увеличении коэффициента усиления для автономной работы без антенного усилителя, при универсальном применении для приема в телевизионном диапазоне длин радиоволн, упрощении электрического питания.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в антенне, включающей приемный элемент возбуждения, закрепленный или выполненный на поверхности тонкой диэлектрической подложки, выполнен комбинированным в виде шлейф-вибратора с параллельно подключенным посредством симметричной двухпроводной линии, при шунтовом включении через устройство задержки, диполем. Причем диэлектрическая подложка выполнена в виде идентичных симметричных створок, с возможностью поворота по оси симметрии, вдоль которой размещена линия коммутации с коаксиальным гнездовым разъемом, установленным в центральной точке на проводнике диполя и согласующее симметрирующее устройство, а проводники антенны выполнены из фольги.
ср.
ср.
Согласующее симметрирующее устройство приемного элемента возбуждения выполнено в виде проводящей несущей трубчатой основы с длиной, соизмеримой с 0,25λ, с проложенным внутри коаксиальным кабелем линии коммутации с разъемом, который подключен на входе центральной жилой и оплеткой к точкам возбуждения. На выходе коаксиальный кабель подключен центральной жилой к центральному контакту гнездового коаксиального разъема, а оплетка подключена к трубчатой основе и основанию коаксиального гнездового разъема. Согласующее симметрирующее устройство может быть выполнено и в виде коаксиального кабеля с длиной, соизмеримой с 0,25λ, начало коаксиального кабеля подключено центральной жилой и оплеткой к точкам возбуждения, а окончание коаксиального кабеля подключено центральной жилой к центральному контакту коаксиального разъема, а оплетка подключена к гнездовому основанию коаксиального разъема. На всю длину коаксиального кабеля по наружной изоляции обтянута дополнительная оплетка, подключенная со стороны диполя к основанию коаксиального гнездового разъема, зафиксирована и герметизирована термоусадочной трубкой. Предложенные реализации симметрирующих устройств представляют собой адаптированные в структуру антенны блокирующие четвертьволновые стаканы.
Устройство задержки выполнено в виде сосредоточенного ломаного удлинения проводников симметричной двухпроводной линии.
Идентичные симметричные створки имеют возможность поворота по оси симметрии с разворотом створок от расположения в плоскости, до образования уголковой антенны или полного транспортировочного сведения створок. Удержание створок в транспортировочном, развернутом или угловом положении может осуществляться с помощью верхнего и нижнего диэлектрических, преимущественно с пазом, линейного и угловых фиксаторов, нанизанных на верхний и нижний края створок.
Для повсеместного крепления устройства антенны к стене, оконному стеклу или поддерживающей опоре створки имеют отверстия для подвески антенны, закрепления в них присосок, хомут-липучек или стяжек для фиксации любой стороной антенны к несущим конструкциям. Коаксиальный гнездовой разъем антенны, кроме подключения кабеля, также может быть использован для крепления антенного устройства на несущей подставке с кабелем питания, при свободном размещении антенны на телевизионных приемниках или на ровных поверхностях.
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 проводящей несущей трубчатой основы с длиной, соизмеримой с 0,25λ, расположенной вдоль по оси симметрии антенны и с проложенным внутри коаксиальным кабелем линии коммутации, реализующим четвертьволновый симметрирующий стакан в плоскости антенны.
ср.
Новизна в части устройства усматривается в том, что согласующее симметрирующее устройство приемного элемента возбуждения может быть выполнено в виде коаксиального кабеля с длиной, соизмеримой с 0,25λ, причем на всю длину коаксиального кабеля наружная изоляция обтянута дополнительной проводящей оплеткой, которая зафиксирована и герметизирована термоусадочной трубкой.
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.
Новизна в части устройства усматривается в том, что плоское полотно антенны при размещении вне плоских поверхностей может трансформироваться в угловую конструкцию с универсальным креплением по месту и реализацией достоинств угловых антенн.
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, которые представлены на фиг. 1-5.
На фиг. 1 приведен схематический эскиз универсальной симметрированной телевизионной антенны.
На фиг. 2 приведена отправная компьютерная модель универсальной симметрированной телевизионной антенны.
На фиг. 3 приведен график изменения КСВ в рабочем частотном диапазоне.
На фиг. 4 приведен график изменения КУ в рабочем частотном диапазоне.
На фиг. 5 приведены диаграммы направленности в рабочем частотном диапазоне.
ср.
ср.
Универсальная симметрированная телевизионная антенна содержит приемный элемент возбуждения с точками возбуждения (а, b), выполненный комбинированным в виде шлейф-вибратора 1 с параллельно подключенным диполем 4, 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 материала и выполненной в виде идентичных симметричных створок 5, с возможностью поворота по оси симметрии (о). Вдоль оси симметрии (о) размещена линия коммутации 6 с коаксиальным гнездовым разъемом 7, установленным в центральной точке на проводнике диполя 4 и согласующее симметрирующее устройство 8. Проводники телевизионной антенны выполнены из фольги. Согласующее симметрирующее устройство 8 приемного элемента возбуждения выполнено в виде классического четвертьволнового стакана на базе проводящей несущей трубчатой основы с длиной, соизмеримой с 0,25λ, с проложенным внутри коаксиальным кабелем линии коммутации 6 с разъемом 7. Кабель коммутации 6 подключен на входе центральной жилой и оплеткой к точкам возбуждения (а, b), причем на выходе коаксиальный кабель подключен центральной жилой к центральному контакту гнездового коаксиального разъема 7, а оплетка подключена к трубчатой основе и основанию коаксиального гнездового разъема 7. Согласующее симметрирующее устройство 8 может быть выполнено в виде коаксиального кабеля с длиной, соизмеримой с 0,25λ. Начало коаксиального кабеля подключено центральной жилой и оплеткой к точкам возбуждения (а, b), а окончание коаксиального кабеля подключено центральной жилой к центральному контакту коаксиального разъема, а оплетка к гнездовому основанию коаксиального разъема 7. В этом случае на всю длину коаксиального кабеля, на наружную изоляцию натянута дополнительная оплетка, подключенная, со стороны диполя 4 к основанию коаксиального гнездового разъема 7 и зафиксирована и герметизирована термоусадочной трубкой (на эскизе не показано). Устройство задержки 3 выполнено в виде сосредоточенного ломаного удлинения проводников симметричной двухпроводной линии 2. Для крепления антенны к стене, оконному стеклу или несущему элементу створки 5 имеют отверстия 9, 10 для подвески антенны, закрепления в них присосок, липучек или хомут-стяжек для фиксации.
Работает универсальная симметрированная телевизионная антенна изображенная схематическим эскизом (фиг. 1) по компьютерной модели (фиг. 2) следующим образом.
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 площади расположения симметричных створок 5, будут параллельны фронту прихода радиоволн, то есть перпендикулярны 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 передачи принятых сигналов к приемнику, требуется, чтобы сопротивление антенны в точках (а, b) подключения ее к линии коммутации 6 с коаксиальным гнездовым разъемом 7 соответствовало волновому сопротивлению используемого коаксиального кабеля и разъема. 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 линии коммутации 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 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 коаксиальную линию коммутации 6 производится с помощью симметрирующего устройства 8 в виде симметрирующего стакана. 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 на графиках изменения КСВ и КУ (фиг. 3 и фиг. 4).
ср
Развертывание универсальной симметрированной телевизионной антенны осуществляется с помощью любого упомянутого вида крепежа с фиксацией на плоских поверхностях или с разворотом створок 5 от расположения в плоскости до реализации уголковой антенны. Удержание створок осуществляется с помощью верхнего и нижнего диэлектрических фиксаторов, нанизанных на верхний и нижний края створок (на эскизе не показано). 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 коммутации 6 с коаксиальным гнездовым разъемом 7. Симметрирование осуществляется с помощью симметрирующего стакана в виде прокладки коаксиального кабеля в трубчатом четвертьволновом экране или дополнительным экранированием коаксиального кабеля поверх изоляции на протяжении, соизмеримом с 0,25λ. К гнездовому разъему 7 подключается телевизионный коаксиальный кабель для соединения с телевизионным приемником. Качество работы универсальной симметрированной телевизионной антенны наглядно иллюстрируется графиками изменения КСВ и КУ (фиг. 3, 4 и 5).
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 требуемого 2,0, а с ростом частот он уменьшается до 1,25 при увеличении коэффициента усиления, что является потребным при использовании антенн в широком диапазоне частот и соответствует автономной работе. В свою очередь, подключение телевизионного приемника через включенный в цепь после разъема внешний антенный усилитель в комплексе позволит улучшить характеристики до уровня многоэлементных антенн сложных конструкций и значительно повышенной стоимости. Доводы по работе технического решения по изобретению подтверждены результатами компьютерного моделирования и работой макетного образца, что выгодно выделяет от аналогов предлагаемое техническое решение, а простота изготовления устройства из широко распространенных материалов и универсальность применения открывают перспективы ее широкого использования.