Директорно-рефлекторная логопериодическая антенна с резонаторным шунтированием
DIRECTOR-REFLECTOR LOG-PERIODIC ANTENNA WITH RESONATOR BYPASSING

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано в радиотехнических системах различного назначения в диапазоне дециметровых волн в качестве сверхширокополосной антенны, преимущественно для приема эфирного телевидения либо в качестве базового элемента антенных решеток.
В настоящее время задача создания универсальных компактных направленных антенн является наиболее актуальной. Общеизвестны конструкции антенн типа «волновой канал», именуемые еще антеннами Уда-Яги, иногда Уда, состоящие из нескольких параллельных вибраторов, укрепленных на общей траверсе при расположении вибраторов в одной плоскости. Классические антенны «волновой канал» имеют активный вибратор, к которому подводится питание и несколько пассивных, то есть, к которым питание не подводится. Антенна типа «волновой канал» обычно выполняется из активного вибратора, одного рефлектора, расположенного за активным вибратором и нескольких директоров, расположенных перед активным вибратором. Данные антенны, являющиеся продольными фазированными решетками, широко применяемые в эфирном широковещательном телевизионном приеме, часто используются для формирования различных комбинированных фазированных антенных решеток в профессиональных направлениях. Для сокращения номенклатуры антенн существует устойчивая тенденция расширения диапазона рабочих частот при одновременном сокращении массы и габаритов таких антенн.
Основным недостатком директорных антенн является их относительно узкий диапазон частот, в пределах которого значения их параметров не выходят за пределы допустимых норм. Антеннами, принципиально лишенными этого недостатка, являются логопериодические антенны. Они также как и антенны типа «волновой канал» выполняются по типу плоских вибраторных антенн из ряда параллельных линейных вибраторов, размеры которых подбираются так, чтобы их характеристики были периодическими функциями логарифма частоты. Ограничение диапазона этих антенн со стороны низких частот обусловлено возможностью увеличения габаритных размеров, а со стороны высоких частот - точностью выполнения конструкции. Вибраторы логопериодических антенн возбуждаются с переменной фазой симметричной линией питания, называемой собирательной, выполненной зачастую трубчатой, с прокладкой внутри одного из ее проводников коаксиального кабеля. Центральный провод питающего кабеля подключается ко второму трубчатому проводнику собирательной линии, а оплетка кабеля замыкается на трубчатый проводник прокладки. Токи на участке линии питания за вибратором, стоящим после резонансного, пренебрежительно малы и достигают максимума у вибратора, длина которого близка к 0,5λ. В первом приближении можно считать, что резонансный вибратор вместе с двумя непосредственно к нему прилегающими вибраторами образует «активную» рабочую область антенны. При изменении частоты резонансным становится другой вибратор, и активная область перемещается вдоль антенны. Поэтому коэффициент усиления логопериодических антенн обычно эквивалентен трехэлементным антеннам типа «волновой канал». Причем, «активная» область деформируется, когда доходит до крайних элементов антенны. (Харченко К.П. УКВ антенны. - М.: ИП РадиоСофт, 2009, стр. 71-73, рис. 45).
Известна наиболее широко применяемая логопериодическая комбинированная антенна (Пат. РФ №2157582, опубл. 10.10.2000), предназначенная для приема ТВ-сигнала диапазона дециметровых волн (ДМВ), выполненная из двух антенных полуполотен в виде ряда вибраторов, закрепленных на несущих трубах с короткозамыкающей перемычкой и с размещенным внутри одной из несущих труб с кабелем передачи ТВ-сигнала, причем с противоположной от короткозамыкающей перемычки стороны на несущих трубах размещен усилитель ТВ-сигнала диапазона ДМВ, подключенный к антенным полуполотнам и к кабелю передачи ТВ-сигнала диапазона ДМВ. Короткозамыкающая перемычка в большинстве конструкций логопериодических антенн является узлом крепежа антенны к несущим конструкциям и элементом, обеспечивающим жесткость собирательной линии, для данного случая жесткой фиксации полуполотен между собой. Изобретение направлено на расширение области рабочих частот в длинноволновой части метрового диапазона, упрощение конструкции и повышение надежности ее работы.
Недостатком известной антенны является деформация в сторону снижения в крайних точках частотного диапазона основных характеристик антенны, с увеличением коэффициента стоячих волн (КСВ) и снижение коэффициента усиления (КУ). Для нейтрализации снижения параметров в известной антенне дополнительно увеличено количество вибраторов с удлинением всей конструкции антенны и введение антенного усилителя со снижением надежности антенны при размещении на объектах увеличенной высоты из-за электрических разрядов.
Известна логопериодическая вибраторная антенна (Пат. РФ №2189676, опубл.20.09.2002), содержащая ряд симметричных вибраторов, запитываемых от двухпроводной распределительной симметричной линии, причем каждый последующий симметричный вибратор в ряде запитан противофазно предшествующему симметричному вибратору, при отношении длин плеч соседних вибраторов и отношении расстояний между симметричными вибраторами, выбранными по соотношениям образования оптимальной логопериодической антенной структуры. В логопериодической структуре дополнительно к вибратору наименьшего размера на удлиненном участке собирательной линии установлен активный директор, размер которого совпадает с размером наименьшего вибратора, находящейся в физической взаимосвязи со всеми другими элементами логопериодической антенной структуры. Изобретение направлено на повышение коэффициента бегущей волны в верхней части диапазона частот.
Недостатком известной антенны, по результатам компьютерного моделирования, является увеличение КСВ до 3 в верхней части рабочего диапазона рабочих частот при незначительном увеличении коэффициента усиления. Увеличение КСВ объясняется гальваническим шунтированием работы двух идентичных вибраторов на частотах, близких к резонансной, из-за уменьшения входного сопротивления антенны.
Известна широко используемая для цифрового телевидения антенна ВАС-5133-Р (паспорт, https://on.pleer.ru/product_633180_Antenna_REMO_BAS_5133_Р_Merkuriy_30.html?utm_source=adw&utm_content=n-merchant-region-&utm_medium=cpc&gclid=EAIaIQobChMIqafUoJ2i9QIVGYXVCh 1JsQ6kEA QYAvABEgKVovD_BwE#desc) «Меркурий», изготовителя ООО «РЭМО-Технологии», авторами она была принята за прототип. Компактная антенна содержит пять симметричных вибраторов, запитанных от трубчатой двухпроводной распределительной симметричной линии, с короткозамыкающей перемычкой, с размещением внутри одной из несущих труб кабеля питания. Каждый последующий симметричный вибратор в ряде запитан противофазно предшествующему симметричному вибратору, при отношении длин плеч соседних вибраторов и отношении расстояний между симметричными вибраторами, выбранными по соотношениям образования оптимальной логопериодической антенной структуры.
Недостатком прототипа для обеспечения оптимальных электрических параметров при наименьших габаритах и для электромагнитной доступности в городской черте является классическая деформация в сторону снижения в крайних точках частотного диапазона основных характеристик, которая свойственна логопериодическим антеннам.
Задачей предлагаемой директорно-рефлекторной логопериодической антенны с резонаторным шунтированием является повышение и обеспечение основных характеристик антенны в рабочем диапазоне частот при незначительном увеличении геометрических размеров. Также предлагается возможность для усовершенствования существующих типов логопериодических антенн, без изменения их конструкций, простейшим дополнением предлагаемых элементов.
Техническим результатом является расширение рабочего диапазона частот в нижней и верхней части рабочего диапазона за счет снижения коэффициента стоячих волн (улучшением согласования с фидером) с одновременным повышением коэффициента усиления при незначительном увеличении массогабаритных характеристик.
Для достижения указанного технического результата в директорно-рефлекторной логопериодической антенне с резонаторным шунтированием, содержащей ряд симметричных активных вибраторов, запитываемых от двухпроводной распределительной симметричной линии в виде несущих труб с короткозамыкающей перемычкой и с размещенным внутри одной из несущих труб кабелем питания, причем каждый последующий симметричный вибратор в ряде запитан противофазно предшествующему симметричному вибратору, при отношении длин плеч соседних вибраторов и отношении расстояний между симметричными вибраторами, выбранными по соотношениям образования оптимальной логопериодической антенной структуры, перед наименьшим вибратором дополнительно установлен пассивный директор размером, равным размеру наименьшего вибратора, а сзади наибольшего вибратора установлен пассивный рефлектор размером, равным размеру наибольшего вибратора, директор и рефлектор установлены в диэлектрических вставках изолированно от двухпроводной распределительной симметричной линии, при этом длина последней увеличена с помощью дополнительно установленных в диэлектрической вставке проводников с образованием четвертьволнового резонатора с малым сопротивлением в точке питания коммутации на величину, соизмеримую с расстоянием между наименьшим вибратором и пассивным директором.
Проводники, удлиняющие двухпроводную симметричную распределительную линию, выполнены из материала, что и вибраторы, без или с гальваническим контактом с несущими трубами. Пассивный директор и пассивный рефлектор зафиксированы в полотне антенны в центрах диэлектрических вставок, расположенных в местах размещения пассивных элементов. Проводники, удлиняющие двухпроводную симметричную распределительную линию, и пассивный директор установлены в одной диэлектрической вставке.
Предлагаемая антенна иллюстрируется чертежом и графиками, представленными на фиг. 1-6.
На фиг. 1 показан общий вид антенны, на фиг. 2 - график изменения КСВ предлагаемой антенны в рабочем диапазоне частот, фиг. 3 - график изменения КСВ антенны-прототипа в рабочем диапазоне частот, на фиг. 4 - график изменения коэффициенты усиления (КУ) предлагаемой антенны в рабочем диапазоне частот, на фиг. 5 - график изменения коэффициенты усиления (КУ) антенны - прототипа в рабочем диапазоне частот, на фиг. 6 - изменение форм диаграмм направленностей предлагаемой антенны в рабочем диапазоне частот.
Директорно-рефлекторная логопериодическая антенна с резонаторным шунтированием (фиг. 1), содержит ряд симметричных активных вибраторов 1, запитываемых от двухпроводной распределительной симметричной линии 2 в виде несущих труб с короткозамыкающей перемычкой 3, с размещенным внутри одной из несущих труб кабелем питания и диэлектрическими вставками 4 между трубами. Причем каждый последующий симметричный вибратор в ряде запитан противофазно предшествующему симметричному вибратору при отношении длин плеч соседних вибраторов и отношении расстояний между симметричными вибраторами, выбранными по соотношениям образования оптимальной логопериодической антенной структуры. Дополнительно к наименьшему вибратору изолированно от линии 2 установлен пассивный директор 5, размер которого равен размеру наименьшего вибратора, а сзади наибольшего вибратора изолированно от линии 2 установлен пассивный рефлектор 6, размер которого равен размеру наибольшего вибратора. Длина двухпроводной распределительной симметричной линии 2 увеличена на длину а с помощью дополнительно установленных в диэлектрической вставке 4 проводников 7 с образованием своеобразного четвертьволнового резонатора с малым сопротивлением в точке коммутации в виде разомкнутой длинной линии.
Величина а соизмерима с расстоянием между наименьшим вибратором и пассивным директором 5. Проводники 7, удлиняющие двухпроводную распределительную симметричную линию 2, выполнены из материала, что и вибраторы 1 и могут быть с гальваническим контактом к несущим трубам 2 и без гальванического контакта с линией 2.
Пассивный директор 5 и пассивный рефлектор 6 фиксируют в полотне антенны в центре диэлектрических вставок 4, расположенных в местах размещения пассивных элементов 5 и 6.
Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области и смежной с ней позволяет сделать вывод, что введенные элементы известны. Однако, введение в логопериодическую антенну указанным образом и с указанными связями пассивных элементов, позволяет обеспечить ей такое сложение полей в дальней зоне от логопериодической структуры, и пассивных переизлучателей, при которой обеспечивается уменьшение и выравнивание КСВ и повышение коэффициента усиления в директорно-рефлекторной логопериодической антенне с резонаторным шунтированием.
Предлагаемая антенна работает следующим образом.
Работа классических логопериодических антенн широко описана в многочисленных литературных источниках и интернет-ресурсах. В свою очередь, в прикладных технических решениях преимущественно используются короткозамыкающие перемычки 3. Они обеспечивают механическую жесткость конструкции и удобство осуществления крепежа антенн, а электрически, приближаясь к элементу закороченной на конце четвертьволновой длинной линии, имеющей бесконечное сопротивление, практически не оказывают негативного влияния на работу собирательной линии 2. Введение пассивного директора 5, изолированного от линии 2, размер которого равен размеру наименьшего вибратора 1, не шунтирует гальванически собирательную линию 2 и работает в высокочастотной части рабочего диапазона частот идентично директорам, используемым в антеннах типа «волновой канал». За счет такого включения обеспечивается как повышение коэффициента усиления, так и работа в качестве обратной связи на уменьшение КСВ. Введение изолированного от собирательной линии 2 пассивного рефлектора 6, размер которого равен размеру наибольшего вибратора 1, так же не шунтирует линию 2, а обеспечивает его работу в режиме настроенного рефлектора, в сумме повышая эффективность со снижением КСВ и выравниванием КУ в рабочем диапазоне частот. В свою очередь, удлинение с помощью проводников 7 двухпроводной распределительной линии 2 на величину а, соизмеримую с расстоянием между наименьшим вибратором 1 и директором 5, идентично образованию четвертьволнового резонатора в точке питания коммутации, конструктивно приближенного к разомкнутой на конце длинной линии, имеющей малое сопротивление. Работа резонатора с параллельно подключенной с дополнительно введенным пассивным директором 5 и пассивным рефлектором 6 логопериодической антенны в точке питания обеспечивает общий баланс, выравнивая импеданс устройства во всем диапазоне рабочих частот.
Проводники 7 удлинения двухпроводной распределительной линии 2, выполненные из материала вибраторов, для облегчения конструкции, не обязательно с электрическим контактом к трубам распределительной линии 2. Установка проводников 7 без гальванического контакта с несущими трубами линии 2 обеспечивает емкостную связь и не оказывает значительного влияния на работу антенны, относительно использования ее при гальваническом соединении, но может быть использовано для дополнения в существующие конструкции антенн без технологических усложнений.
Диэлектрические вставки 4 для крепления пассивного директора 5 и пассивного рефлектора 6 в их центрах относительно труб линии 2, фиксируемые в полотне антенны, могут быть использованы штатные, с перемещением их вдоль логопериодической антенны в места размещения пассивных элементов.
Теоретические предпосылки работы предлагаемой антенны проверены исследованиями с помощь компьютерного моделирования в программе MMANA с полным подтверждением результатов, показанных на фиг. 2, 4. Анализ представленных графиков изменения КСВ на фиг. 2 и фиг. 3 показывает, что КСВ прототипа выше, а КУ в сравнении с предлагаемой антенной - ниже (фиг. 4 и фиг. 5), что доказывает достижение заявленного технического результата - расширение рабочего диапазона частот в нижней и верхней части рабочего диапазона за счет снижения коэффициента стоячей волны с одновременным повышением коэффициента усиления.
Таким образом, поставленная задача повышения и обеспечения основных характеристик антенны в рабочем диапазоне частот при незначительном увеличении геометрических размеров решена. Также, кроме промышленного применения, реализована возможность, усовершенствования существующих типов логопериодических антенн, без изменения их конструкций, простейшим дополнением предлагаемых общедоступных примитивных элементов с использованием широко применяемых промышленных образцов антенн в качестве основы.
Дополнительно к этому, по сравнению с прототипом, предлагаемая антенна при сохранении основных характеристик во всем рабочем диапазоне при достигнутом КСВ, может использоваться не только в качестве приемной, но и как широкополосная передающая антенна, в том числе и с использованием 50-омного питающего кабеля.