АКТИВНЫЙ АНТЕННЫЙ ТРЕУГОЛЬНО-ПЕТЛЕВОЙ ЭЛЕМЕНТ МИЛКИНА
MILKIN'S ACTIVE ANTENNA TRIANGULAR AND LOOP ELEMENT

Изобретение относится к устройствам антенной техники и может быть использовано в качестве самостоятельной антенны, а также в составе сложных антенных устройств для работы в КВ-, УКВ-, ДМВ-, СМВ-диапазонах.
раб
раб
Известен широкополосный симметричный шлейф-вибратор Пистолькорса в виде двух параллельно расположенных линейных проводников, лежащих в одной плоскости и имеющих объединенные концы (Антенны УКВ. Под. ред. Г.З. Айзенберга. В 2-х ч. 4.1. М.: «Связь», 1977, стр. 169, рис. 13.5). Параллельные проводники образуют симметричные полу-петли-плечи вибратора относительно оси симметрии, проходящей через середины линейных проводников. Сумма протяженности длин линейных проводников соизмерима с λ, а протяженность плеч около 0,25λ Узлом питания шлейф-вибратора являются точки окончания проводников в разрезе средней части одного из линейных проводников.
Недостатком классического петлевого вибратора является высокое входное сопротивление.
раб
Известна трансформация петлевого вибратора в квадратную и другие формы рамок с периметром протяженностью λ, с более низким входным сопротивлением и с более высоким по сравнению с шлейф-вибратором коэффициентом усиления (Григоров И.Н. Все об антеннах. - М.: ДКМ Пресс, 2009, стр. 66-69, рис. 2.1-2.4, табл. 2,1). Рамочные антенны обеспечивают двустороннюю направленность осевого излучения, перпендикулярную плоскости рамки, и повышенный коэффициент усиления из-за большей апертуры - «области захвата» пространства конструкцией полотна антенны.
Недостатком рамочных антенн является малая полоса пропускания.
раб
раб
Известны более сложные конструкции антенн в комбинации из однородных активных вибраторов, из которых повышенной эффективностью обладают конструкции зигзагообразных антенн из двух треугольных или ромбовидных рамок, имеющих объединенный узел питания и активные проводники плеч протяженностью по 0,25λ (Сидоров И.Н. Идеальный телеприем в дачном доме, на садовом участке, далеко за городом: Справочник. - СПб., Лениздат, 1998, стр. 87-90, рис. 3.4; Харченко К.П. УКВ антенны. - М.: ИП РадиоСофт, 2009, стр. 79-95, рис. 51, 63). В отличие от обычных вибраторных антенных решеток, у которых число узлов питания равно числу вибраторов, входящих в решетку, особый пространственный разнос проводников полотна зигзагообразной антенны с питанием от одного объединенного узла питания, к которому непосредственно подключается фидер, образуют своеобразную плоскую синфазную решетку и особенное возбуждение токов в ее проводниках. Свойственное зигзагообразной антенне возбуждение токов в проводниках обеспечивает работу антенны с одним выраженным видом поляризации и расширенную полосу рабочих частот. Увеличенная апертура плоскостной фигурной антенны гарантирует высокий коэффициент усиления с двусторонней направленностью, перпендикулярной по ее оси плоскости рамок, а параллельное подключение их к питанию, с периметром каждой петлевой рамки по протяженности равной λ, снижает входное сопротивление антенны до величин, соизмеримых с волновыми сопротивлениями используемых кабелей питания.
Недостатками известной комбинации проводников антенны являются увеличенные габаритные размеры конструкции полотна и необходимость использования еще более увеличенной площади рефлектора для обеспечения односторонней направленности, что сужает возможности ее использования, особенно в низкочастотной части метрового диапазона радиоволн и на более низких частотах.
Наиболее близким техническим решением является антенна осевого излучения - активный антенный элемент Орлова A.M. (Пат. РФ №59891, опубл. 27.12.2006). Прототип содержит установленные на одной общей оси не менее двух петлевых вибраторов параллельно своими плоскостями друг к другу и перпендикулярно направлению приема электромагнитных волн с уменьшением линейных размеров петлевых вибраторов в сторону источника радиосигнала. Соседние петлевые вибраторы соединены между собой чередующимися по противоположным сторонам широких сторон двухпроводными линиями связи. Антенна довольно проста по конструктивному исполнению и характеризуется пониженным уровнем внутренних шумов за счет исключения необходимости раздельного подключения петлевых вибраторов к питающему фидеру коаксиальным кабелем, влекущим дополнительное рассогласование по активным и реактивным сопротивлениям.
Недостатки прототипа заключаются в следующем. Количество петлевых вибраторов определяется количеством работающих телевизионных станций в зоне уверенного приема антенны и уровнем принимаемого сигнала, в пределе количество вибраторов в активном элементе может быть равно количеству каналов телевещания, что обуславливает громоздкость активного антенного элемента. Кроме того, активный антенный элемент имеет недостаточно широкий частотный диапазон использования, ограничиваемый конструктивными особенностями при работе в низкочастотной части метрового диапазона радиоволн и на более низких частотах, а также недостаточно высокий коэффициент усиления.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении компактности, увеличении частотного диапазона и коэффициента усиления активного антенного треугольно-петлевого элемента Милкина.
раб
рaб.
Для достижения технического результата в активном антенном треугольно-петлевом элементе Милкина, содержащем расположенные симметрично относительно общей оси петлевые вибраторы, установленные перпендикулярно направлению приема электромагнитных волн и соединенные между собой, петлевые вибраторы расположены в одной плоскости, один из них выполнен в форме равнобедренного треугольника с основанием 0,4λ и боковыми сторонами 0,3λ, другой петлевой вибратор представляет собой шлейф-вибратор Пистолькорса из двух параллельных линейных проводников, один из которых неразрезной, другой разрезной в средней части с размещением в ней точек питания, в которых оба вибратора соединены между собой с перекрещиванием боковых сторон равнобедренного треугольного вибратора.
Отличительными признаками предлагаемого активного антенного треугольно-петлевого элемента Милкина от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, являются следующие:
- расположение разнородных вибраторов в одной плоскости,
paб.
раб,
- выполнение одного вибратора в форме равнобедренного треугольника с основанием 0,4λ и боковыми сторонами 0,3λ
- другой петлевой вибратор представляет собой шлейф-вибратор Пистолькорса,
- оба вибратора соединены между собой в общих точках питания с перекрещиванием боковых сторон равнобедренного треугольного вибратора,
- точки питания расположены в средней части разрезного проводника шлейф-вибратора Пистолькорса.
раб
Благодаря наличию этих признаков достигается компактность за счет уменьшения числа вибраторов и расположения их в одной плоскости, увеличивается частотный диапазон за счет комплексного использования всех проводников двух вибраторов, увеличивается коэффициент усиления за счет дополнительного излучения проводников боковых сторон длиной 0,3λ. При этом обеспечивается секторная направленность антенны при уменьшенной продольной протяженности, упрощается симметрирование и согласование с коаксиальным кабелем питания при комбинированном использовании разнородных вибраторов.
раб
раб
Техническое решение обеспечивается тем, что устройство антенны конструктивно реализовано в виде объединенных непосредственным подключением к питающей линии и друг к другу в точках включения узла питания двух неоднородных вибраторов, а именно: с расширенной полосой и широкополосного. Первый петлевой вибратор выполнен в форме равнобедренного треугольника с основанием протяженностью 0,4λ и с боковыми сторонами протяженностью 0,3λ. Второй вибратор представляет собой шлейф-вибратор Пистолькорса из двух параллельных линейных вибраторов, один из них неразрезной, другой - разрезной в средней части с размещением в ней общих точек питания. Петлевые вибраторы размещены в одной плоскости, а подключение к узлу питания проводников боковых сторон треугольного вибратора произведено с перекрещиванием проводников, то есть противофазно. Коаксиальный кабель питания при жесткой конструкции, например в трубчатом варианте проводников, прокладывается с вводом через точку нулевого потенциала, середину линейного неразрезного проводника шлейф-вибратора Пистолькорса. Выход кабеля в узел питания производится в разрезе при обеспечении электрического контакта оплетки кабеля с окончанием проводника плеча прокладки и электрического контакта центральной жилы с окончанием проводника противоположного плеча.
Универсальность использования активного антенного треугольно-петлевого элемента в широком диапазоне частот обусловливается преимущественным применением в проволочном виде в KB-диапазоне, жесткой конструкцией в УКВ-, ДМВ- диапазонах и с печатным исполнением в СМВ-диапазоне.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что оба вибратора антенной решетки принимают и передают свою энергию на общую нагрузку при непосредственном подключении друг к другу в точках питания без использования линий связи между ними. Это снижает внутренние шумы, исключает проблемы согласования активных и реактивных сопротивлений линий связи с вибраторами и потерю энергии.
Новизна в части устройства усматривается в том, что разнородные вибраторы имеют разные входные сопротивления, обеспечивающие общее входное сопротивление активного антенного треугольно-петлевого элемента при параллельном включении меньше меньшего. Отдельно, входные сопротивления у каждого из вибраторов, превышающие волновые сопротивления коаксиальных кабелей, при параллельном включении адаптируют общее сопротивление элемента к волновому сопротивлению кабеля питания, что упрощает его согласование с линией питания.
Новизна в части устройства усматривается в том, что разные входные сопротивления разнородных вибраторов при подключении к одному источнику питания создают разные токи проводимости в их проводниках, из-за чего в вибраторе с меньшим сопротивлением потечет увеличенный ток. С учетом влияния токов проводимости и токов от взаимно наведенных ЭДС, когда соединение производится с перекрещиванием проводников боковых сторон треугольного вибратора, обеспечивается увеличение суммарного тока в проводнике, размещенном со стороны направления приемо-передачи антенного элемента. Это в случае продольной антенной решетки повышает направленность системы в его сторону и сужение диаграммы направленности, делая вибратор размещенным сзади активным рефлектором. В случае прямого соединения проводников, в отличие от предлагаемого, не происходит увеличения суммарного тока за счет противофазных ЭДС с приближением его по величине, как в проводнике, размещенном со стороны направления приемо-передачи, так и в проводниках шлейф-вибратора, что влечет уменьшение коэффициента усиления и проявления двусторонней направленности.
Новизна в части устройства усматривается и в том, что увеличенный ток течет, кроме размещенного со стороны направления приемо-передачи антенного элемента, еще и в проводниках сторон, расположенных симметрично оси, но под углом к ней. Они также излучают в пространство электромагнитное поле, но с взаимной компенсацией встречных продольных составляющих от разных сторон и интегрирующихся в общее суммарное излучаемое электромагнитное поле односторонне направленных поперечных составляющих, обеспечивая повышение коэффициента усиления системы.
Новизна в части устройства усматривается в том, что с учетом рамочного характера равнобедренного треугольника, а также увеличенных токов первого петлевого вибратора со стороны направления приемо-передачи, диаграмма направленности вдоль его оси имеет больший угол раствора в плоскости, перпендикулярной плоскости полотна активного антенного треугольно-петлевого элемента, чем в плоскости полотна.
раб
раб
раб.
Новизна в части устройства усматривается в том, что соотношение сторон вибратора в форме равнобедренного треугольника с боковыми сторонами протяженностью 0,3λ и основанием 0,4λ, обеспечивает расположение этого активного вибратора от шлейф-вибратора Пистолькорса (т.е. активного рефлектора) на расстоянии около 0,2λ. Это в широком диапазоне частот оптимизирует коэффициенты направленного действия и бегущей волны.
раб
Новизна в части устройства усматривается в том, что протяженность проводника основания треугольного вибратора, равная 0,4λ, обеспечивает рост коэффициента усиления на частотах рабочего диапазона с увеличением в сторону более высоких частот, что обусловливается востребованным практикой применения в прикладной антенной технике.
Сочетание отличительных признаков и свойств как в заявленном устройстве из технической, научной литературы и патентной документации 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, возможности использования на промышленной основе и конкурентоспособном уровне.
Предлагаемый активный треугольно-петлевой элемент Милкина иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3.
На фиг. 1 представлен общий вид активного антенного треугольно-петлевого элемента, на фиг. 2 приведены диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях с основными параметрами при вертикальном размещении полотна антенны, на фиг. 3 приведены диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях с основными параметрами при горизонтальном размещении полотна антенны.
раб
раб
Активный антенный треугольно-петлевой элемент (фиг. 1) содержит петлевой вибратор 1 в форме равнобедренного треугольника и петлевой вибратор 2, представляющий собой шлейф-вибратор Пистолькорса. Вибраторы 1 и 2 расположены в одной плоскости относительно общей оси 3. Вибраторы 1, 2 расположены перпендикулярно направлению приемо-передачи электромагнитных волн. Первый петлевой вибратор 1 выполнен в форме равнобедренного треугольника с основанием 4 длиной 0,4λ и боковыми сторонами 5 длиной 0,3λ. Второй петлевой вибратор 2 представляет собой шлейф-вибратор Пистолькорса в виде двух параллельно расположенных линейных проводников 6, 7. Проводник 6 является неразрезным, проводник 7 разрезной в средней части. В разрезе линейного проводника 7 размещены точки питания a, b (включения) узла 8 питания. Петлевые вибраторы 1 и 2 соединены между собой с перекрещиванием боковых сторон 5 вибратора 1 в общих точках а и b питания узла 8 питания (т.е. объединены непосредственным подключением друг к другу в точках питания (включения) a и b).
Активный антенный треугольно-петлевой элемент Милкина работает следующим образом.
раб
раб
раб
При подключении высокочастотного генератора (не показан) в точки питания a и b узла 8 питания по проводникам 4, 5 петлевого вибратора 1, равно как и по проводникам 6 и 7 петлевого вибратора 2 потекут токи с величинами, обратно пропорциональными сопротивлениям цепей. В проводнике 4 потечет увеличенный ток относительно проводников 6 и 7 из-за меньшего входного сопротивления рамочного вибратора 1, чем шлейф-вибратора 2. При этом из-за того, что в шлейф-вибраторе Пистолькорса 2 проводники 6 и 7 расположены в непосредственной близости друг к другу, а в равнобедренном треугольном вибраторе 1 проводник 4 подключен в середину петли между проводниками боковых перекрещенных сторон 5 с развязкой по протяженности длиной 0,3λ до и после включения проводника 4, то токи в проводниках 6 и 7 будут в сравнении с током в проводнике 4 односторонними с разницей по фазе относительно проводника 4, соизмеримой с 0,3λ. С учетом того, что проводники шлеф-вибратора 6 и 7 разнесены в пространстве на расстояние, соизмеримое с 0,2λ от проводника 4, на высоту равнобедренного треугольника и параллельны, то образованная пространственная система антенной решетки излучающих проводников создает направленное излучение электромагнитного поля по оси 3, перпендикулярной расположению этих проводников. Дополнительно к этому, увеличенные токи в проводниках 5, расположенных симметрично, но под углом к этой оси, также излучают в пространство электромагнитное поле, но с взаимной компенсацией встречных продольных составляющих и интегрирующихся в общее суммарное излучаемое электромагнитное поле односторонне направленных поперечных составляющих, от разных сторон. Таким образом, в отличие от излучающих систем с соединительными линиями, вносящими рассогласование и затухание, в предложенном техническом решении все проводники участвуют в излучении электромагнитного поля, обеспечивая суммарное повышение коэффициента направленного действия системы. В свою очередь, система из двух активных вибраторов разной длины, участвующих в излучении электромагнитного поля, обеспечивает расширение рабочей полосы частот. Кроме этого, ввиду того, что апертуры в плоскости расположения проводников и в плоскости, перпендикулярной ей, разные, то и углы раствора диаграммы направленности в плоскости их расположения и в плоскости, перпендикулярной ей, будут различными.
раб
Доводы по работе технического решения по изобретению подтверждают результаты компьютерного моделирования (фиг.2, 3). Активный антенный треугольно-петлевой элемент с размерами по продольной протяженности, равной 0,2λ, обладает секторной направленностью с разными углами раствора диаграммы направленности в плоскости расположения проводников вибраторов и в плоскости, перпендикулярной ей, с увеличенным коэффициентом усиления, равным 6,4 dB, что выше суммы отдельно взятых вибраторов. Отношение F/B прямого излучения к обратному равно 14 dB, что характеризует помехозащищенность, соответствующую 6- - 8-элементным антеннам Уда-Яги, в 3 раза большей продольной протяженностью. Рабочая полоса частот предлагаемого изобретения в 1.5 раза шире, чем у прототипа. В отличие от прототипа, у предлагаемого технического решения точки нулевого потенциала обоих вибраторов могут быть соединены проводником без изменения работы устройства, то есть иметь металлическую несущую траверсу, обеспечивающую повышенную защиту от статического электричества и грозозащиту, надежность и упрощение эксплуатации.