КОМБИНИРОВАННАЯ Z-АНТЕННА С ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКИМИ ДИРЕКТОРАМИ

Полезная модель относится к антенной технике и предназначена для использования в качестве приемопередающих антенн, преимущественно в качестве индивидуальных и коллективных приемных телевизионных антенн для дециметрового диапазона длин радиоволн.
Развитие беспроводных радиосистем в последние годы, при использовании дециметрового диапазона длин радиоволн, раскрывает широкое развертывание профессиональных узлов радиосвязи и широковещательных станций, офисных и бытовых беспроводных сетей и всеохватывающий переход на цифровое эфирное телевидение. Особенности работы и специфика использования радиочастотного ресурса устройствами этих систем требуют применения разных типов антенн, среди которых направленные антенные устройства занимают особое место. В дециметровом участке радиочастот практически отпали ограничения в размерах антенн в соотношении к длинам волн, что позволяет использовать классические устройства с повышением параметров за счет традиционных подходов и синтезировать для расширения и реализации самых разнообразных характеристик антенные устройства комбинированием конструкций на базе классических элементов аналогов различных типов.
Известна логопериодическая антенна для систем коллективного приема ТВ АТКГ(В)-5.1.21-60.1. (Ю.Н. Носов, Ф.Ф. Кукаев. Энциклопедия отечественных антенн для коллективного и индивидуального приема телевидения и радиовещания - М.: «СОЛОН-Р». 2001, стр. 148, рис. 5.106), состоящая из 14 вибраторов специальной формы на протяженной траверсе.
Недостатком известной антенны являются усложненная технология крепления вибраторов, применение специальных сплавов для изготовления и увеличенные продольные размеры антенны, соизмеримые с 3λ, при сравнении по низкочастотной части рабочего диапазона частот и 5λ по высокочастотной части рабочего диапазона частот.
ср
Известна широкополосная направленная зигзагообразная квазишунтовая антенна (Пат. РФ №2580406, опубл. 10.04.2016 г.) с активным полотном в виде двух витков проводников в форме квадратов, с узлом питания в точках соприкосновения квадратов с незамкнутыми сторонами в центре антенны. Витки квадратов со сторонами, соизмеримыми с 0,5 λ. рабочей длины волны, выполнены в виде многожильных проволочных проводников. Активное полотно симметрично перегнуто по линии, перпендикулярной к плоскости, проходящей через общую диагональ и расположено перед рефлектором, с уклонами образованных плоскостей витков к центру, созданными за счет расстояний сторон квадратов антенны от рефлектора.
Недостатками известного изобретения являются относительная механическая сложность изготовления витков квадратов, выполненных в виде многожильных проволочных проводников и увеличивающийся коэффициент стоячей волны в высокочастотной, наиболее критичной, части рабочего диапазона длин радиоволн.
В качестве прототипа заявляемого технического решения комбинированной Z-антенны с логопериодическими директорами принята рамочная ТВ антенна ДЕЛЬТА H118.F (Каталог. Антенны индивидуальные, наружные [Электронный ресурс] // НИИ ОСТ: сайт. Режим доступа: http://antennaspb.ru/component/page,shop.product_details/flypage,shop.flypage/product_id,247/category_id,40/manufacturer_id,0/option,com_virtuemart/Itemid,26/ - Заглавие с экрана. Данные соответствуют 2018 г.). Для расширения диапазона рабочих частот известная антенна включает активный диапазонный вибратор в виде двух витков проводников в форме квадратов, встречно расположенных в одной плоскости. Витки соединены между собой разомкнутыми углами, с образованием узла питания в точках соприкосновения квадратов между собой и с параллельными прямоугольными полюсными пластинами, размещенными перпендикулярно активному диапазонному вибратору, являющимися клеммами питания антенны и угловой рефлектор.
Недостатком прототипа являются недостаточные для работы в условиях сложной электромагнитной обстановки коэффициент
усиления и неразрывно связанная с ним пространственная избирательность.
Задачей предлагаемого технического решения является создание широкополосной надежной в эксплуатации универсальной антенны на базе упрощенных составных элементов, характеризующейся параметрами, обеспечивающими ее применение для работы в дециметровом диапазоне длин радиоволн в качестве антенн индивидуальных и коллективных систем приема телевидения.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое устройство, состоит в конструктивной разработке технического решения при повышении коэффициента усиления и выравнивании коэффициента стоячей волны во всем рабочем диапазоне частот.
Технический результат достигается использованием комбинации активных вибратора и директора и пространственной реализации логопериодической структуры пассивных директоров.
расчетн.
расчетн.
расчетн.
расчетн.
расчетн.
ср.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что комбинированная Z-антенна с логопериодическими директорами, содержит активный диапазонный вибратор в виде двух витков проводников в форме квадратов, встречно расположенных в одной плоскости, соединенных между собой разомкнутыми углами, с образованием узла питания в точках соприкосновения квадратов и угловой рефлектор. Точки соприкосновения квадратов соединены с параллельными прямоугольными полюсными пластинами, размещенными перпендикулярно активному диапазонному вибратору, являются клеммами питания антенны. Проводники сторон активного диапазонного вибратора соизмеримы с 0,25λ. Перед активным диапазонным вибратором на расстоянии 0,15λ в вертикальной плоскости, параллельной плоскости активного диапазонного вибратора, размещена пятиэтажная логопериодическая директорная структура со средним активным директором длиной 0,25λ и убывающими по длине линейными директорами, располагающими выше и ниже среднего активного директора на расстоянии 0,075λ друг от друга. Концы среднего активного директора подключены параллельными соединительными линиями с отворотами к клеммам питания антенны, а λ равна 1,15λ диапазона рабочих частот.
расчетн.
расчетн.
ср.
Комбинированная Z-антенна с логопериодическими директорами может быть дополнена размещенной перед логопериодической директорной структурой, со средним активным директором длиной 0,25λ и убывающими по длине линейными директорами, располагающими выше и ниже среднего активного директора на расстоянии 0,075λ друг от друга размещением в параллельных плоскостях дополнительных директорных структур из парных линейных директоров с уменьшающимися длинами и расстояниями между плоскостями их размещения и при удалении от среднего активного директора, причем пара дополнительных линейных директоров  в ближней к среднему активному директору плоскости имеет длину 0,25λ.
При конкретной реализации заявляемого технического решения является предпочтительным использование проволоки для изготовления вибраторов и трубок для крепежно-несущих элементов, выполненных из из стали с преимущественно сварным соединением.
Защита от коррозии обеспечивается нанесением лакокрасочного или гальванического покрытия на элементы антенны.
расчетн.
Новизна в части устройства антенны усматривается в том, что дополнительно к активному диапазонному вибратору подключен линейный директор длиной 0,25λ, являющийся средним в вертикальной пятиэтажной логопериодической директорной структуре.
Новизна в части устройства антенны усматривается в том, что подключение среднего активного директора логопериодической директорной структуры обеспечивается по напряжению от клемм активного диапазонного вибратора, подключенного по току к фидеру питания.
Новизна в части устройства антенны усматривается в том, что подключение выполнено от концов среднего активного директора параллельными соединительными линиями с отворотами к клеммам питания.
расчетн.
расчетн.
ср.
Новизна в части устройства антенны усматривается в том, что пятиэтажная логопериодическая директорная структура выполнена со средним активным директором длиной 0,25λ, равной длине проводников сторон активного диапазонного вибратора, при λ равной 1,15λ диапазона рабочих частот.
расчетн.
Новизна в части устройства антенны усматривается в том, что пассивные директоры пятиэтажной логопериодической директорной структуры выполнены линейными, убывающими по длине, располагающими выше и ниже среднего активного директора на расстоянии 0,075λ.
расчетн.
Новизна в части устройства антенны усматривается в том, что пятиэтажная логопериодическая директорная структура расположена в вертикальной плоскости, параллельной плоскости активного диапазонного вибратора, перед активным диапазонным вибратором на расстоянии 0,15λ от него.
расчетн.
расчетн.
Новизна в части устройства антенны усматривается в том, что при дополнении размещенной перед логопериодической директорной структуры, со средним активным директором длиной 0,25λ и убывающими по длине линейными директорами, располагающими выше и ниже среднего активного директора на расстоянии 0,075λ друг от друга, размещением в параллельных плоскостях дополнительных директорных структур, они выполнены в виде парных линейных директоров с уменьшающимися длинами и расстояниями между плоскостями их размещения при удалении от среднего активного директора.
ср.
расчетн.
Новизна в части устройства антенны усматривается в том, что пара дополнительных линейных директоров в ближней к среднему активному директору плоскости имеет длину 0,25λ, а длина расположенного сзади него среднего активного директора короче и равна 0,25λ.
Сочетание отличительных признаков и свойств как в заявленном устройстве из технической, научной литературы и патентной документации по логопериодическим 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 и в возможности использования на промышленной основе и конкурентоспособном уровне.
На фиг. 1 приведен эскиз общего вида заявляемой комбинированной Z-антенны с логопериодическими директорами;
На фиг. 2 приведен эскиз компьютерной модели с дополнительными директорными структурами парных линейных директоров;
На фиг. 3 - диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях в рабочем диапазоне частот;
На фиг. 4 - график изменения коэффициента стоячей волны в рабочем диапазоне частот;
На фиг. 5; - графики изменения коэффициента усиления и коэффициента защитного действия в рабочем диапазоне частот.
1
2
1
2
расчетн.
расчетн.
ср.
расчетн.
расчетн.
расчетн.
1
2
1
2
Комбинированная Z-антенна с логопериодическими директорами содержит активный диапазонный вибратор (1) в виде двух витков проводников в форме квадратов (2) встречно расположенных в одной плоскости, соединенных между собой разомкнутыми углами (а, а), с узлом питания в точках соприкосновения квадратов с параллельными прямоугольными полюсными пластинами (3), размещенными перпендикулярно активному диапазонному вибратору (1) и угловой рефлектор (4) (фиг. 1). Полюсные пластины (3) являются клеммами питания антенны (б, б). Проводники (5) сторон активного диапазонного вибратора соизмеримы с 0,25λ (фиг. 1), причем λ равна 1,15λ диапазона рабочих частот. Перед активным диапазонным вйбратором на расстоянии 0,15λ, в вертикальной плоскости, параллельной плоскости активного диапазонного вибратора, размещена пятиэтажная логопериодическая директорная структура (6) со средним активным директором (7) длиной 0,25λ и убывающими по длине линейными директорами (8, 9), располагающими выше и ниже среднего активного директора на расстоянии 0,075λ друг от друга. Концы среднего активного директора (в, в) подключены параллельными соединительными линиями (10) с отворотами к клеммам питания антенны (б, б).
расчетн.
расчетн.
ср.
Комбинированная Z-антенна с логопериодическими директорами может быть дополнена размещенной перед активным диапазонным вибратором (1) и логопериодической директорной структурой (6) со средним активным директором длиной 0,25λ, с убывающими по длине линейными директорами, располагающими выше и ниже среднего на расстоянии 0,075λ друг от друга, размещением в параллельных плоскостях дополнительных директорных структур из парных линейных директоров (11, 12, 13) с уменьшающимися длинами и расстояниями между плоскостями их размещения при удалении от среднего активного директора (фиг. 2), причем пара дополнительных линейных директоров (11) в ближней к среднему активному директору плоскости имеет длину 0,25λ.
Комбинированная Z-антенна с логопериодическими директорами работает следующим образом.
1
2
расчетн.
расчетн.
расчетн.
1
2
1
2
ср.
Работа активного диапазонного вибратора (1) в виде двух витков проводников в форме квадратов (2) встречно расположенных в одной плоскости, соединенных между собой разомкнутыми углами (а, а), с узлом питания в точках соприкосновения квадратов широко описана в технической литературе при раскрытии работы зигзагообразных или Z-антенн в том числе и с плоскими рефлекторами. Угловой рефлектор (4), за счет приближения к верхним и нижним проводникам (5) элементов активного диапазонного вибратора (1) обеспечивает увеличение коэффициента усиления и уменьшение коэффициента согласования в высокочастотной части рабочего диапазона частот. Параллельные прямоугольные полюсные пластины (3), размещенные перпендикулярно активному диапазонному вибратору (1), за счет вносимой емкости по входному сопротивлению антенны нивелируют коэффициент согласования с фидером питания по рабочему диапазону частот. Размещение пятиэтажной логопериодической директорной структуры (6) увеличивает коэффициент усиления всей системы. Средний активный директор (7) длиной 0,25λ повышает эффективность работы всей директорной структуры, а убывающие по длине линейные директоры (8, 9), располагающиеся выше и ниже среднего активного директора на расстоянии 0,075λ друг от друга, перед активным диапазонным вибратором на расстоянии 0,15λ, отвечают за повышение коэффициента усиления в соизмеримых с 0,25λ их длин участках рабочего диапазона частот. Параллельная соединительная линия (10) от концов среднего активного директора (в, в) с отворотами к клеммам питания антенны (б, б) обеспечивает работу среднего директора в активном режиме при питании по напряжению, что дополнительно упрощает механическое крепление пятиэтажной логопериодической директорной структуры (6), в отличие от классического соединения при питании по току с усложненным перекрещиванием проводников при размещении соединительной линии по оси антенны. Соединение среднего директора (7) в активном режиме в комбинации с активным диапазонным вибратором (1) реализует своеобразный пространственный активный вибратор с повышенными диапазонными свойствами, обеспечивает эффективное возбуждение пассивных директоров при размещении их по вертикали (8, 9) (фиг. 1) и в направлении основного излучения антенны (11, 12, 13) (фиг. 2). Для реализации повышенной направленности по оси антенны, перед размещенной перед активным диапазонным вибратором (1), логопериодической директорной структуры (6), со средним активным директором (7) и убывающими по длине линейными директорами (8, 9) (фиг. 1), располагающими выше и ниже среднего, в параллельных плоскостях размещаются дополнительные директорные структуры парных линейных директоров (11, 12, 13) (фиг. 2), с уменьшающимися длинами линейных директоров и расстояниями между плоскостями. Использование парных, разнесенных по вертикали, директоров образует «своеобразную щель» и не затеняет работу антенны с логопериодической директорной структурой (6) со средним активным директором (7) с линейными директорами (11) в ближней, к среднему активному директору (7) плоскости, с длиной линейных директоров (11), равной 0,25λ, а в комплексе стабилизирует все основные параметры комбинированной Z-антенны с логопериодическими директорами.
Работа комбинированной Z-антенны с логопериодическими директорами промоделирована в программе MMANA с явным раскрытием изложенных доводов полученными результатами, показанными на фиг. 3-5. Натурные исследования прикладного изделия на базе антенны ДЕЛЬТА H118.F подтвердили результаты компьютерного моделирования.
Предлагаемая антенна позволяет увеличить широкополосность рабочего частотного диапазона, повысить коэффициент усиления, обеспечить стабильность коэффициента стоячих волн в диапазоне рабочих длин волн, диапазонную однонаправленность и защиту от молний при упрощенной конструкции.