ШИРОКОПОЛОСНАЯ Z-АНТЕННА НА ФИДЕРЕ
BROADBAND Z-ANTENNA ON FEEDER

Заявляемое техническое решение относится к антенной технике и касается вибраторных широкополосных проволочных антенн упрощенных конструкций повышенной надежности, предназначенных для применения, как в качестве отдельной диапазонной антенны, так и адаптированное для создания сложных антенных систем. Изобретение может быть использовано, преимущественно в качестве приемных антенн эфирного цифрового телевидения, а также в других системах радиотелекоммуникаций с применением в качестве приемопередающих антенных устройств разных участках частотных диапазонов.
Актуальность предлагаемой разработки преимущественного для использования в системах эфирного телевидения обусловлена всевозрастающими требованиями к расширению парка комнатных и наружных антенн для приема цифровых мультиплексов, как в бытовых условиях, так и на объектах со сложной окружающей средой.
Для антенн эфирного цифрового телевидения является необходимой возможность работы в IV - V частотных диапазонах. Обычно для работы в широком диапазоне используют реализации, состоящие из нескольких антенн. Каждая антенна такой конструкции хорошо согласуется с фидером и имеет приемлемые коэффициенты согласования и усиления, но только в определенном диапазоне частот. В свою очередь комбинация антенн и согласующих устройств в комплексе приводят к усложнению конструкции, снижению технологичности изготовления и надежности антенных систем при эксплуатации.
Известен плоский вибратор с расширенной полосой частот, с входом антенны в виде вершин рядом расположенных треугольников. (Ротхаммель К., Кришке А. Антенны. Том 2: Пер. с нем. - М.: Данвел. 2005. С. 130, рис. 26.1-26.3). В зависимости от конфигурации плеч входное сопротивление вибратора достигает 350 Ом, что позволяет при упрощении использовать непосредственное подключение симметричного фидера в виде двухпроводной линии или высокочастотного ленточного кабеля.
Недостатками широко известной антенны являются малый коэффициент усиления и необходимость использования изоляционной развязки с устройствами крепления вибраторов.
Известна широкополосная вибраторная антенна (Пат. РФ №2618776 от 11.05.2017, бюл. №14). Антенна содержит два параллельных вибратора, соединенные с помощью двух перемычек с регулируемой длиной, симметрирующее устройство, устройство компенсации мнимой составляющей входного сопротивления антенны и фидер, причем первый вибратор имеет разрыв (зазор), в области которого соединяется с проводниками симметрирующего устройства. Дополнительно в устройство антенны включены: радиочастотный соединитель и диэлектрические концевые распорки, установленные на концы вибраторов, диэлектрическая распорка и две шайбы, возбуждающий проводник, диэлектрическая подложка и защитная крышка. Одна из версий размещения вибратора с креплением плеч первого вибратора на проводниках симметрирующего устройства, выполненного в виде короткозамкнутого отрезка двухпроводной линии.
Недостатками известного изобретения являются повышенная сложность изготовления из-за наличия множества комплектующих из разнородных материалов и в последующем трудности настройки и эксплуатации при коэффициенте усиления 0 dBd.
ср
ср..
ср.
Прототипом предлагаемого изобретения является веерный вибратор, каждое плечо которого может быть выполнено из нескольких трубок расположенных в одной плоскости и расходящихся под некоторым углом друг к другу. (Капчинский Л.М. Конструирование и изготовление телевизионных антенн - 2-е изд., стереотип.- М.: Радио и связь, 1995. С. 56-57, рис. 24). Плечи вибратора составляют примерно 0,25λ. низкочастотного поддиапазона и 0,75λ высокочастотного поддиапазона Длина симметрирующего короткозамкнутого мостика, на котором расположены плечи веерного вибратора, равна 0,25λ низкочастотного поддиапазона.
Основным недостатком прототипа является коэффициент усиления в низкочастотном поддиапазоне равный 0 dBd и в высокочастотном поддиапазоне, равный 1,3 dBd.
Задачей предлагаемого изобретения является создание широкополосной антенны, характеризующейся повышенным коэффициентом усиления, увеличенной механической прочностью и упрощенной технологией изготовления, имеющей конструкцию, обеспечивающую жесткое положение элементов в устройстве диапазонного вибратора и устойчивое крепление антенны при размещении в качестве составных элементов сложных антенных систем и при одиночном использовании.
Технический результат изобретения достигается формированием активной структуры вибратора с увеличенной адсорбирующей площадью из широкополосных элементов плеч, в виде треугольных рамок, расположенных в одной плоскости вдоль общей оси непосредственно на проводниках двухпроводной фидерной линии, одновременно использующейся как симметрирующее устройство в виде короткозамкнутого мостика с точками питания антенны, при повышении механической жесткости устройства за счет оригинальной реализации конструкции при не стандартном использовании функций составных элементов.
Дополнительным техническим результатом является возможность реализации изменения импеданса антенны при согласовании за счет изменения положения короткозамкнутых перемычек симметрирующего устройства.
макс.
ср.
макс
1
макс.
макс
ср.
а
а
а
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известной антенне включающая диапазонный вибратор, каждое плечо которого состоит из расположенных в одной плоскости расходящихся под некоторым углом друг к другу проводников и размещенного на симметрирующем короткозамкнутом мостике длиной 0,25λ, количество расходящихся проводников в плечах вибратора сведено до двух. Плечи вырождены в пары треугольных нижней и верхней рамок за счет добавления проводников сторон треугольников, с длинами 0,25λ, от внешних концов расходящихся проводников с длинами 0,25λ, направленных к оси симметрии «о» - «o» антенны с образованием рамок. Добавленные проводники нижней треугольной рамки соединены с ближайшими проводниками короткозамкнутого мостика. Для воссоздания идентичной верхней системы треугольников вибратора от точек питания «» - «б» введен дополнительный симметрирующий короткозамкнутый мостик, длиной 0,25λ с образования общего несущего двухпроводного фидера, Системы верхних и нижних треугольных рамок симметрично раздвинуты относительно точек питания «» - «б» на расстояние «l», соизмеримое с (0,25λ - 0,25λ) вдоль фидера. Это смещение проявляется в удалении проводников сторон треугольников от точек питания «» - «б» в направлении к короткозамкнутым перемычкам симметрирующих мостиков, обеспечении реализации классического фидера и увеличении адсорбирующей площади за счет вертикального разноса.
макс.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что плечи диапазонного вибратора вырождены из наклонных проводников длиной 0,25λ, в пары нижней и верхней рамок в форме треугольников.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что проводники сторон нижней и верхней треугольных рамок соединяются с ближайшими проводниками короткозамкнутого мостика, замыкая треугольник и создавая индивидуальные треугольники плеч.
макс.
cp.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что комплексно длины наклонных проводников плеч треугольных нижней и верхней рамок и проводников сторон, имеют протяженность 0,25λ и 0,25λ, - соответственно.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что симметричный двухпроводный фидер в размерах активного вибратора составлен из симметричных мостиков и участков двухпроводной линии от точек питания до подключенных проводников плеч нижней и верхней треугольных рамок.
а
макс
ср.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что системы верхних и нижних треугольных рамок симметрично раздвинуты относительно точек питания «» - «б» на расстояние «l», соизмеримое с (0,25λ - 0,25λ) вдоль фидера.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что участок проводников фидера на протяжении от точек соединения расходящихся проводников верхних рамок с фидером, до точек соединения с верхней короткозамкнутой перемычкой может быть разъединен.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что антенна расположенная перед рефлектором с устройствами проводящего крепления, выполненными продолжением проводников двухпроводной фидерной линии.
макс
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что не классическая зигзагообразная антенна, а антенна на фидере в виде диапазонного вибратора, каждое плечо которого состоит из расположенных в одной плоскости расходящихся под некоторым углом друг к другу проводников, и размещенного на трубчатом симметрирующем короткозамкнутом мостике длиной 0,25λ, трансформирована в Z-антенну на фидере, с увеличенной полосой пропускания и повышенным коэффициентом усиления.
Сочетание отличительных признаков и свойств как в заявленном устройстве из технической, научной литературы и патентной документации по дипольным и зигзагообразным антеннам и их аналогам не выявлено, поэтому оно соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
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, в возможности использования на промышленной основе, конкурентоспособном уровне и перспективой версий дальнейшего совершенствования.
На фиг. 1 приведен эскиз широкополосной Z-антенны на фидере.
На фиг. 2 приведены диаграммы направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскости на контрольных частотах рабочего диапазона.
На фиг. 3 приведен график изменения коэффициента согласования в рабочем диапазоне антенны.
На фиг. 4 приведены графики изменения коэффициентов усиления и защитного действия в рабочем диапазоне антенны.
На фиг. 5 приведен эскиз широкополосной Z-антенны на фидере с одним симметрирующим мостиком.
На фиг. 6 приведен график изменения коэффициента согласования в рабочем диапазоне антенны с одним симметрирующим мостиком.
На фиг. 7 приведен эскиз широкополосной Z-антенны на фидере с рефлектором.
На фиг. 8 приведены диаграммы направленности антенны с рефлектором в горизонтальной и вертикальной плоскости на контрольных частотах рабочего диапазона.
а
а
а
макс
ср.
1
макс
ср.
макс
ср.
Широкополосная Z-антенна на фидере (Фиг. 1) содержит диапазонный вибратор, каждое плечо 1 которого состоит из расположенных в одной плоскости пар 2 треугольных нижней и верхней рамок 3 добавлением, от внешних концов расходящихся от точек питания «» - «б» проводников 4 длиной 0,25λ, проводников сторон треугольников 5 с длинами 0,25λ, направленных к оси симметрии «о» - «o». Плечи 1 нижних рамок 3 крепятся к проводникам трубчатого симметрирующего короткозамкнутого мостика длиной 0,25Х.. Для создания идентичной верхней системы 8 треугольных рамок 3, а также общего несущего двухпроводного фидера 9, от точек питания «» - «б», введен дополнительный симметрирующий короткозамкнутый мостик 7, длиной 0,25λ. Рамки 3 образованы соединением добавленных проводников 5 с ближайшими проводниками короткозамкнутых мостиков 6, 7. Системы 8 верхних и нижних треугольных рамок 3 симметрично раздвинуты относительно точек питания «» - «б» на расстояние «l», соизмеримое с (0,25λ - 0,25λ), вдоль фидера 9, обеспечивающее смещение проводников сторон треугольников 5 в направлении к короткозамкнутым перемычкам 10, симметрирующих мостиков 6, 7.
По второму пункту формулы изобретения, участок проводников фидера на протяжении от точек соединения расходящихся проводников 4 верхних рамок 3 с фидером 9, до точек соединения фидера 9 с верхней короткозамкнутой перемычкой 10 разъединен. (Фиг. 5).
По третьему пункту формулы изобретения антенна расположена перед рефлектором 11 с устройствами проводящего крепления 12, выполненными продолжением проводников фидерной линии 9.
а
а
а
макс
ср.
Широкополосная Z-антенна на фидере работает следующим образом. Проводники двухпроводной линии симметрирующих короткозамкнутых мостиков 6 и 7, закороченные на удалении 0,25λ,от точек питания коротко замыкающими перемычками 10, для длин радиоволн, соизмеримых с X, не оказывают шунтирующего действия на входное сопротивление вибратора, а разомкнутые в точках питания их проводники, с коротко замыкающими перемычками 10 и расположение этих проводников в зоне нулевого потенциала, не изменяют движение токов от полюсных точек питания «» - «б» по внешнему контуру нижней и верхней систем 8. Таким образом, при механической конструкции четырех треугольных рамок в двух нижней и верхней системах 8, треугольных рамок 3, электрически эквивалентно увеличенным по площади в два раза рамкам, относительно треугольных рамок 3, являющихся вписанными в две треугольные по внешнему контуру рамки, участвующие в приеме электромагнитных радиоволн. Принципиальная электрическая схема широкополосной Z-антенны на фидере подобна электрической схеме двойной треугольной зигзагообразной антенне, работа которой многогранно описана в технической литературе. В свою очередь, на расширение рабочей полосы широкополосной Z-антенны на фидере оказывает нивелирующее влияние использования симметрирующих короткозамкнутых мостиков 6 и 7, что подтверждается поведением изменения коэффициента согласования по основной версии устройства с двумя симметрирующими мостиками и по второму пункту формулы изобретения с одним симметрирующим мостиком. (Фиг. 3 и фиг. 6). Ввиду отклонения длины проводников короткозамкнутых мостиков 6 и 7 от 0,25λ, ими вносимое сопротивление, изменяющееся в зависимости от рабочей частоты, при параллельном подключении к точкам питания «» - «б», изменяет импеданс антенны. Кроме этого, вертикальный разнос по фидеру 9 систем 8, из-за симметрично раздвинутых относительно точек питания «» - «б» на расстояние «l», соизмеримое с (0,25λ - 0,25λ), активных элементов вибратора, увеличивающий апертуру антенны и уменьшающий взаимное влияние проводников с токами, так же повышает электрические характеристики широкополосной Z-антенны на фидере, что подтверждается изменениями коэффициентов усиления и защитного действия в рабочем диапазоне антенны. (Фиг. 4). Использование рефлектора также классически изменяет направленные свойства антенны. (Фиг. 2, фиг. 8)
Дополнительным нестандартным эффектом является возможность реализации изменения импеданса антенны при согласовании за счет изменения положения короткозамкнутых перемычек симметрирующего устройства. Таким образом, в отличие от классических Z-антенн с рефлектором, где в основном обеспечивают согласование путем изменения расстояния от антенны до рефлектора, здесь проявилось дополнительное направление возможностей по технологиям настройки антенного устройства.
Доводы по работе технического решения по изобретению подтверждены результаты компьютерного моделирования (Фиг., фиг. 2, 3, 4, 6, 8) и фотография действующего опытного образца (фиг. 5). Широкополосная Z-антенна на фидере характеризуется повышенным коэффициентом усиления, увеличенной механической прочностью и упрощенной технологией изготовления, имеющей конструкцию, обеспечивающую жесткое положение элементов в устройстве диапазонного вибратора и устойчивое крепление антенны при размещении в качестве составных элементов сложных антенных систем и при одиночном использовании. Она выгодно выделяется от аналогов простотой устройства и расширенными возможностями настройки.