ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКАЯ АНТЕННА

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области антенной техники и касается конструкции логопериодической антенны, предназначенной для направленного излучения и приема сигналов в метровом и дециметровом диапазонах длин волн.
Уровень техники
Известна конструкция плоской вибраторной логопериодической антенны (см. книгу И.П.Онищенко. Приемные телевизионные антенны. М., ДОСААФ, 1989, стр.76-77), выполненной из двух параллельных труб одинакового сечения, к которым противофазно подключены симметричные вибраторы, при этом вибраторы привариваются к несущей их трубе так, чтобы соседние вибраторы на одной трубе были направлены в противоположные стороны. Полученные таким образом полотна антенны располагаются горизонтально, одно над другим, на расстоянии, равном примерно двум диаметрам несущей трубы. Две несущие трубы представляют собой двухпроводную распределительную линию. Коаксиальный кабель прокладывают внутри нижней трубы, экранную оболочку на входных клеммах припаивают к нижней трубе, а центральную жилу - к верхней. Для жесткости системы между трубами ставят изоляторы, однако конструкция такой антенны характеризуется слабой сопротивляемостью ветровым нагрузкам, вибраторы и несущие трубы легко деформируются как при транспортировке изделия, так и при его эксплуатации.
Известна логопериодическая вибраторная антенна (см. патент RU №2048696, МПК H01Q 11/10, опубл. 20.11.1995), содержащая распределительную линию, выполненную в виде двух параллельных труб одинакового диаметра, симметричные вибраторы, плечи которых размещены ортогонально трубам и подключены к ним противофазно, коаксиальную линию, подключенную к трубам, и размещенную в одной из них. С целью улучшения массогабаритных характеристик конструкции, она содержит несущую стрелу в виде третьей трубы, установленную под трубами распределительной линии и параллельно им, причем все три трубы конструктивно связаны между собой изоляторами. В трубу распределительной линии, содержащую коаксиальную линию, введено согласующее устройство в виде ступенчатого коаксиального перехода.
Антенна по патенту RU №2048696 имеет более сложную конструкцию, чем ранее описанная, однако также как и антенна, охарактеризованная в книге И.П.Онищенко, недостаточно прочна и легко деформируется при механических воздействиях.
макс
В качестве прототипа заявляемого решения принята конструкция логопериодической антенны метровых и дециметровых волн (см. книгу Л.М.Капчинский, Телевизионные антенны. М., «Энергия», 1979, стр.77-80), содержащая двухпроводную распределительную линию, изготовленную из труб диаметром 18-22 мм. Параллельные вибраторы размещены ортогонально и подключены к двухпроводной линии, причем крепятся вибраторы к вышеупомянутым трубам, которые разнесены в вертикальной плоскости, или посредством сварки, или с помощью скоб. Все вибраторы выполнены из трубок одинакового диаметра - от 10 до 20 мм. Кабель снижения с волновым сопротивлением 75 Ом протягивается через одну из труб двухпроводной линии и припаивается к ее концам со стороны коротких вибраторов, при этом на расстоянии (0,1-0,15)λ от первого (наиболее длинного) вибратора между трубами двухпроводной линии устанавливается короткозамыкающая перемычка.
Для придания антенному полотну большей жесткости и для обеспечения параллельности труб распределительной линии в конструкцию прототипа введено несколько изоляторов, равномерно распределенных вдоль антенного полотна. Однако прототип, также как и другие аналоги, имеет конструкцию недостаточной прочности, поскольку для получения необходимых электрических свойств и с учетом требований по снижению себестоимости изделия, трубы и вибраторы логопериодической антенны изготавливаются, преимущественно, из алюминиевых сплавов. Причем при изготовлении антенны является предпочтительным закреплять вибраторы на трубах сваркой, поскольку закрепление скобами и с помощью резьбовых соединений увеличивает трудоемкость производства изделий и качество таких контактов со временем ухудшается. Однако твердые алюминиевые сплавы, например Д16Т, плохо поддаются сварке, поэтому для изготовления логопериодических антенн используют алюминий марки АМГ или АМЦ, который относится к «мягким» материалам. В результате антенна, выполненная из этого алюминия и исполненная конструктивно так, как это охарактеризовано выше, легко деформируется при даже незначительных механических воздействиях.
Раскрытие полезной модели
Заявляемой полезной моделью решается задача повышения механической прочности логопериодической антенны при сохранении электрических параметров. Техническим результатом решения является придание полотну антенны жесткости, максимально возможной при определенных габаритах, обеспечивающей параллельность труб распределительной двухпроводной линии и устойчивое положение вибраторов.
Поставленная задача решена тем, что в логопериодической антенне, содержащей распределительную/собирательную двухпроводную линию, состоящую из двух параллельных труб, установленных относительно друг друга со смещением в плоскости, ортогонально которой размещены вибраторы, подключенные к упомянутым трубам, через одну из которых пропущен кабель питания, согласно заявляемой полезной модели, по меньшей мере, или одна труба линии, или обе ее трубы, или вибраторы выполнены составными и включают токопроводящую оболочку и вплотную охватываемый упомянутой оболочкой продольный элемент, выполненный из материала, прочность которого выше прочности материала наружной оболочки. Другими словами, тело основных деталей логопериодической антенны, образующих ее полотно, разделено на послойно расположенные части: токопроводящий верхний элемент, формирующий наружную часть детали и обеспечивающий функциональные свойства антенны, и внутренний «скелетный», «каркасный» элемент, выполняющий опорную функцию, обеспечивающий жесткость детали и, соответственно, устойчивость пространственной формы полотна антенны. Заявляемое решение может быть применено как в отношении труб двухпроводной линии, так и в отношении вибраторов. Однако в наибольшей степени поставленная задача будет решена при выполнении и труб и вибраторов, состоящими из оболочки из токопроводящего материала, и из вплотную охватываемого этой оболочкой продольного элемента, выполненного из материала, прочность которого выше прочности материала наружной оболочки.
Достигаемое заявляемым решением увеличение прочности антенны без искажения электрических характеристик обусловлено следующим. Заявляемая логопериодическая антенна предназначена для направленного излучения и приема сигналов в метровом и дециметровом диапазонах длин волн, т.е. сигналов, относящихся к высокочастотным, и в конструкции антенны в значительной степени проявляется скин-эффект, т.е. высокочастотный электрический ток течет по
поверхности проводника. Поэтому необходимые характеристики антенны будут достигнуты, если токопроводящим сделать только верхний слой конструктивных элементов, создающих полотно логопериодической антенны. Наличие в проводниках антенны скин-эффекта позволяет внутреннюю часть труб, составляющих двухпроводную линию, и/или внутреннюю часть вибраторов выполнить из материала с невысокой электропроводностью и даже из диэлектрического материала, но с повышенной прочностью, в частности, из стали, углепластика, и т.п, т.е. материала, характеризующегося невысокой электрической проводимостью, но более прочного, чем алюминиевые сплавы АМГ или АМЦ, получившие наибольшее распространение при изготовлении такого типа антенн. При этом внешний слой элементов антенны, т.е. труб двухпроводной линии и вибраторов оставлен из токопроводящего материала. Этот слой выполнен в виде оболочки, охватывающей внутренний продольный элемент, упрочняющий трубы и вибраторы антенны, что обеспечивает повышение жесткости антенны в целом, и, соответственно, повышение ее сопротивляемости ветровым и другим механическим нагрузкам. Причем жесткость и прочность антенны возрастает, не только за счет исполнения внутренних продольных элементов труб и вибраторов из более прочного материала, но также и за счет того, что трубы и вибраторы антенны выполнены составными, «слоистыми», и между сопряженными поверхностями оболочки и упрочняющего внутреннего элемента существует граница раздела материалов, которая при нагрузке на изгиб снижает передачу механического воздействия в поперечном сечении трубы или вибратора.
Вместе с тем, экспериментально было установлено, что конструкция антенны обладает повышенными прочностью и сопротивлением механическим воздействиям антенны при сочленении токопроводящей оболочки и внутреннего упрочняющего элемента по плотной посадке.
Заявляемое решение применимо для конструкций логопериодической антенны, двухпроводная линия питания в которых реализована как на основе круглых труб, так и на основе труб с прямоугольным поперечным сечением.
В первом случае, при реализации заявляемого решения, токопроводящая оболочка трубы двухпроводной линии и продольный, упрочняющий эту трубу, элемент выполнены с кольцевым сечением, при этом внешний диаметр продольного упрочняющего элемента меньше внутреннего диаметра оболочки на величину, обусловливающую соединение этих деталей по плотной посадке.
При реализации антенны с применением для двухпроводной линии труб с прямоугольным сечением, как токопроводящая оболочка, так и внутренний упрочняющий элемент, имеют указанное сечение, при этом любая из сторон, образующих внешнюю поверхность продольного элемента, соразмерна сопрягаемой стороне внутренней поверхности токопроводящей оболочки. Исполненная таким образом конструкция антенны характеризуется тем, что токопроводящая оболочка трубы двухпроводной линии и ее упрочняющий продольный элемент выполнены в виде полых труб с прямоугольным сечением, при этом продольный элемент установлен внутри оболочки по плотной посадке.
Упрочняющий продольный элемент для труб двухпроводной линии, по меньшей мере, для одной из этих труб, выполнен полым, поскольку внутри этого элемента пропускают кабель питания. Вместе с тем выполнение продольных элементов для труб двухпроводной линии полыми продиктовано также необходимостью снижения материалоемкости изделия и веса.
При конкретных вариантах осуществления заявляемого решения токопроводящая оболочка выполнена алюминиевой или медной. Преимущественно, исходя из баланса стоимости и качества, она изготовлена из алюминиевых сплавов. Продольный элемент выполнен стальным.
В предпочтительном варианте осуществления заявляемой полезной модели токопроводящая оболочка вибратора выполнена с кольцевым сечением, при этом продольный элемент вибратора имеет форму круглого стержня с диаметром, меньшим внутреннего диаметра оболочки на величину, обусловливающую соединение этих деталей по плотной посадке.
Краткое описание чертежей
Заявляемое техническое решение поясняется следующими чертежами:
На фиг.1 схематично в аксонометрии представлен общий вид заявляемой логопериодической антенны;
На фиг.2 - представлен фрагмент I на фиг.1 для антенны, двухпроводная линия которой выполнена из круглых труб;
На фиг.3 - представлен фрагмент I на фиг.1 для антенны, двухпроводная линия которой выполнена из труб с прямоугольным сечением.
На фиг.4 - изображено поперечное сечение трубы двухпроводной линии, при исполнении линии из круглых труб;
На фиг.5 - изображено осевое сечение антенны, в части соединения трубы двухпроводной линии и вибратора, при исполнении линии из круглых труб.
Осуществление полезной модели
Логопериодическая антенна содержит двухпроводную линию, состоящую из двух параллельных и горизонтально ориентированных труб 1 и 2, и подключенные к этим трубам и смонтированные перпендикулярно их продольным осям вибраторы 3. Трубы 1 и 2 установлены относительно друг друга со смещением в вертикальной плоскости, ортогонально которым размещены вибраторы 3, линейные размеры и расположение которых выбраны изменяющимися по логопериодическому закону. Выполнены трубы 1 и 2 составными, из двух частей: токопроводящей оболочки 4 (4'- соответственно для второй трубы) из алюминиевого, обладающего высокой электропроводностью, сплава, например, из АМГ, и из продольного, упрочняющего трубу, элемента 5 (5'). Продольные элементы 5 и 5' выполнены из стали марки Ст10, т.е. из материала, прочность которого выше прочности материала токопроводящей оболочки. На поясняющих решение чертежах на фиг.2 представлен фрагмент антенны с трубами прямоугольного сечения. Соответственно оболочка 4 (4') и упрочняющий продольный элемент 5 (5') выполнены пустотелыми и имеют прямоугольное поперечное сечение. На фиг.3 представлен фрагмент антенны с круглыми трубами, у которых оболочка 4 (4') и упрочняющий продольный элемент 5 (5') выполнены с поперечным сечением кольцевой формы. Вибраторы 3 выполнены из токопроводящей оболочки 6, также имеющей кольцевое поперечное сечение, и из продольного элемента - внутреннего упрочняющего стержня 7, выполненного из материала, прочность которого выше прочности материала, из которого изготовлена оболочка 6. Изображенная на фиг.3 антенна выполнена с внешним диаметром трубы равным 12 мм, с внешним диаметром упрочняющего продольного элемента равным 10 мм, оболочка 6 вибратора выполнена из алюминиевой трубки ⌀6×1, а внутренний элемент 7 вибратора из стального прутка ⌀4. Поскольку токопроводящие оболочки 4(4') и 6 выполнены из легко свариваемого сплава АМГ, то для соединения вибраторов и труб применена сварка.
Через одну из труб, (на чертежах через трубу 2), протянут коаксиальный кабель питания 8 с волновым сопротивлением 75 Ом, при этом кабель 8 на входе пропущен через изолятор 9, и припаивается к концам труб 1 и 2 двухпроводной линии со стороны размещения коротких вибраторов 3: оплетка кабеля - к трубе, через которую пропущен
кабель 8, внутренняя жила кабеля - к соседней трубе (на чертежах не показано). Концы труб 1 и 2 в месте распайки кабеля 8 соединены изолятором 10.
При изготовлении антенны используются выпускаемые металлургической промышленностью профильный или круглый прокат, алюминиевый и стальной. Алюминиевая трубка АМГ ⌀12×1 нарезается на заготовки длиной, соответствующей длине труб 1 и 2, и таким образом получают заготовки токопроводящих оболочек 4 (4') труб 1 и 2. Стальная трубка Ст100 10×1 нарезается на заготовки идентичной длины, и полученный упрочняющий элемент 5 (5') устанавливается в заготовку оболочки 4 (4'). Аналогичным образом изготавливают заготовки вибраторов 3, и для этого используют алюминиевую трубку АМГ ⌀6×1 и стальной пруток Ст10 ⌀4. Известным образом монтируют коаксиальный кабель 8, при этом пропускают его через установленный в оболочку 4 пустотелый продольный элемент 5, производят распайку кабеля на токопроводящие оболочки 4 (4') труб 1 и 2, предварительно к которым прикреплены сваркой вибраторы 3, устанавливают и герметизируют изоляторы 9 и 10.
Установленная известным образом антенна работает следующим образом. При подаче высокочастотного сигнала на кабель 8, вибраторы возбуждаются симметричной линией. При этом высокочастотный ток течет по поверхности проводника, т.е. по токопроводящим оболочкам 4 (4'). Экспериментально было установлено, что электрические характеристики антенны, выполненной согласно заявляемому решению, не претерпевают изменений, по сравнению с антенной таких же геометрических параметров, но трубы и вибраторы которой выполнены полностью из алюминиевого сплава АМГ. Вместе с тем, прочность такой антенны значительно выше. При транспортировке антенн, выполненных согласно заявляемому решению, процент поврежденных изделий незначителен, а в процессе эксплуатации такая антенна сохраняет установленное положение полотна при существенных ветровых нагрузках, обледенении и других неблагоприятных погодных условиях.