СОВМЕЩЕННЫЕ АНТЕННЫ (ВАРИАНТЫ)
INTEGRATED ANTENNAE (VERSIONS)

Изобретение предназначено для использования в составе радиотехнических устройств для телевидения, радиовещания и радиосвязи в ВЧ- и ОВЧ-диапазонах.
Известен широкополосный симметричный вибратор - диполь Надененко [1], состоящий из плеч, которые образованы совокупностью проводов, расположенных вдоль поверхности цилиндра параллельно его центральной оси. Если расстояние между проводами много меньше длины электромагнитной волны, то диполь Надененко эквивалентен электрическому вибратору большого радиуса.
Недостатками такой антенны являются ее относительно большие габариты и неэффективное использование занимаемого антенной пространства: в излучении/приеме электромагнитных волн участвуют только провода на поверхности цилиндров, в то время как большой внутренний объем плеч в работе антенны никак не используется. Кроме этого, диполь Надененко обладает слабой направленностью.
Целью изобретения является многократное использование объема, занимаемого антенной, и одновременно с этим обеспечение работы антенн в нескольких разнесенных частотных диапазонах согласно размеру излучателей, а также повышение направленности антенны на некоторых частотах.
Для этого предлагается совмещенная многовибраторная антенна, состоящая из плеч вибраторов, каждое из которых образовано несколькими проводами, расположенными вдоль поверхности цилиндра и сходящимися к краям плеча в одну точку, при этом все плечи имеют разные размеры, и каждое меньшее плечо целиком располагается внутри большего плеча.
Второй вариант совмещенной многовибраторной антенны предполагает объединение пар плеч одинаковой длины, описанных выше, в симметричные вибраторы. При этом плечи симметричного вибратора меньшего размера располагаются внутри соответствующих плеч вибратора большего размера.
В третьем варианте совмещенной многовибраторной антенны симметричные вибраторы меньшего размера, состоящие из пар плеч, целиком располагаются внутри одного плеча симметричного вибратора большего размера.
Одно или несколько плеч симметричных вибраторов в описанных выше вариантах могут быть образованы проводами, которые сосредоточены преимущественно по одну сторону образующих эти плечи цилиндров.
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
- фиг.1 - базовый вариант совмещенной многовибраторной антенны (сечение плоскостью, перпендикулярной основанию образующего плечи цилиндра);
- фиг.2 - базовый вариант совмещенной многовибраторной антенны (сечение плоскостью, параллельной основанию образующего плечи цилиндра);
- фиг.3 - второй вариант совмещенной многовибраторной антенны (сечение плоскостью, перпендикулярной основанию образующего плечи цилиндра);
- фиг.4 - третий вариант совмещенной многовибраторной антенны (сечение плоскостью, перпендикулярной основанию образующего плечи цилиндра);
- фиг.5 - совмещенная многовибраторная антенна, у которой провода плеч, имеющих больший размер, сосредоточены преимущественно по одну сторону цилиндра (сечение плоскостью, перпендикулярной основанию образующего плечи цилиндра);
- фиг.6 - совмещенная многовибраторная антенна, у которой провода плеч, имеющих больший размер, сосредоточены преимущественно по одну сторону цилиндра (сечение плоскостью, параллельной основанию образующего плечи цилиндра);
Совмещенная многовибраторная антенна (фиг.1 и 2) содержит два однотипных излучателя, расположенных один внутри другого. В частности, внешний излучатель состоит из проводов 1-2, 3-4, 5-6, 7-8, 11-12, 13-14, 15-16, 17-18, расположенных вдоль поверхности цилиндра, а также из проводов 1-9, 3-9, 5-9, 7-9, 9-11, 9-13, 9-15, 9-17, 2-10, 4-10, 6-10, 8-10, 10-12, 10-14, 10-16, 10-18, сходящихся в одну точку к краям плеча. Плоскости излучателей параллельны, продольные оси симметрии совпадают. Размеры плеч подбираются в зависимости от рабочей частоты каждого излучателя, так чтобы обеспечить полуволновый или волновой режим работы вибраторов. Расстояние между плечами выбирается произвольно. В общем случае вложенных друг в друга плеч может быть несколько.
Во втором варианте совмещенной многовибраторной антенны (фиг.3) используются пары вложенных друг в друга плеч. При этом соответствующие пары плеч одинаковых размеров подключаются к линии питания как симметричные вибраторы, образуя таким образом единый излучатель. Например, на фиг.3 внутренние плечи подключаются к линии питания в точках 33 и 34.
В третьем варианте совмещенной многовибраторной антенны (фиг.4) симметричные вибраторы меньшего радиуса, состоящие из пар плеч, целиком помещены внутрь плеча симметричного вибратора большего радиуса.
Провода 19-20, 21-22, 23-24, 25-26, 27-28, 29-30, 31-32, образующие плечи вибратора, могут быть расположены преимущественно по одну сторону образующего вибратор цилиндра (фиг.5 и 6).
Способы питания элементов совмещенной антенны могут быть различными. При этом активным может являться лишь вибратор наименьшего размера.
Совмещенная многовибраторная антенна работает следующим образом. При подключении к антенне высокочастотного генератора вдоль плеча вибратора образуется стоячая волна тока. Размеры каждого плеча подобраны так, что в нем укладывается четверть или половина длины электромагнитной волны, соответствующей рабочей (для этого плеча) частоте. Диаграмма направленности (ДН) такого излучателя имеет форму тора.
Каждый из элементов антенны наиболее интенсивно излучает в полосе частот, сосредоточенной в окрестности резонансной (для этого элемента) частоты. При работе совмещенной антенны в области частот, близкой к резонансной частоте большего плеча, плечи меньших размеров возбуждаются не сильно, так как сами находятся внутри большего плеча, а электромагнитная волна сосредотачивается на поверхности металлической структуры (то есть на проводах большего плеча). Кроме этого, меньшие плечи в этом случае имеют размеры, существенно меньшие длины электромагнитной волны.
При возбуждении совмещенной антенны на частоте, близкой к резонансной частоте меньшего плеча, в первую очередь, будет возбуждаться это плечо. Внешние плечи, имеющие размеры, сопоставимые с длиной электромагнитной волны, при этом также будут возбуждаться, внося искажения в ДН внутренних плеч. Однако количество проводов и расстояния между ними для внешних плеч можно подобрать таким образом, чтобы на резонансной частоте внутреннего плеча внешнее плечо для электромагнитной волны являлось бы практически «прозрачным». В этом случае ДН совмещенной антенны также будет иметь форму тора.
Для минимизации коэффициента стоячей волны (КСВ) вблизи соответствующих резонансных частот, а также для электромагнитной развязки излучающих элементов, можно осуществлять питание антенны таким образом, чтобы активным являлся лишь один из вибраторов меньшего размера. Однако при этом уменьшается коэффициент усиления антенны в области нижних частот, так как внешние вибраторы являются пассивными и возбуждаются исключительно полем, создаваемым малым вибратором.
Если провода вибратора, большего по размерам относительно резонирующего элемента, расположены преимущественно по одну сторону цилиндра, образующего этот (больший) вибратор, то он будет выполнять функции рефлектора. При этом электромагнитные волны, излучаемые меньшим вибратором в сторону проводов большего вибратора, будут отражаться. При соответствующем подборе расстояния между поверхностями вибраторов отраженные волны будут складываться с неотраженными волнами в фазе, образуя главный лепесток ДН. За провода большего вибратора будет проникать лишь небольшая доля излучения, зависящая от расстояния между проводами и их количества. Таким образом, совмещенная антенна в этом случае будет излучать преимущественно в одном направлении, что приведет к повышению ее направленности.
Резонансные частоты излучателей, образующих совмещенную антенну, могут быть подобраны из условия получения нескольких разнесенных рабочих поддиапазонов частот, либо таким образом, чтобы полосы соседних поддиапазонов примыкали друг к другу, а характеристики излучателей менялись бы незначительно в пределах своей рабочей полосы (такая совмещенная антенна будет сохранять свои характеристики в широкой полосе частот).
В приложении приведены диаграммы направленности, полученные в ходе компьютерного моделирования совмещенной многовибраторной антенны, состоящей из трех вложенных друг в друга симметричных вибраторов (резонансные частоты 15, 37 и 74 МГц). При этом провода внешнего вибратора были сосредоточены по одну сторону образующего его цилиндра, и этот вибратор использовался в качестве рефлектора. Моделирование проводилось в программе MMANA-GAL 1.2.0.20:
- фиг.7 - диаграмма направленности антенны в плоскости, перпендикулярной оси образующего антенну цилиндра (частоты 13-18 МГц);
- фиг.8 - диаграмма направленности антенны в плоскости, проходящей через ось образующего антенну цилиндра (частоты 13-18 МГц);
- фиг.9 - диаграмма направленности антенны в плоскости, перпендикулярной оси образующего антенну цилиндра (частоты 35-37 МГц);
- фиг.10 - диаграмма направленности антенны в плоскости, проходящей через ось образующего антенну цилиндра (частоты 35-37 МГц);
- фиг.11 - диаграмма направленности антенны в плоскости, перпендикулярной оси образующего антенну цилиндра (частоты 71-75 МГц);
- фиг.12 - диаграмма направленности антенны в плоскости, проходящей через ось образующего антенну цилиндра (частоты 71-75 МГц).
В таблице ниже приведены значения коэффициента усиления (КУ) совмещенной антенны для различных частот.
Таким образом, предложенная совмещенная антенна позволяет более эффективно использовать отводимое под антенну пространство, обеспечить прием/передачу радиоволн в нескольких разнесенных диапазонах частот и повысить направленные свойства антенны на некоторых частотах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Коротковолновые антенны / Г.З. Айзенберг, С.П. Белоусов, Э.М. Журбенко и др. Под ред. Г.З. Айзенберга. - 2-е, перераб. и доп. - М: Радио и связь, 1985. - c.277.