МАЛОГАБАРИТНАЯ АКТИВНАЯ ТЕЛЕВИЗИОННАЯ АНТЕННА Российский патент 1997 года по МПК H01Q7/00 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для приема сигналов телевизионного вещания в I, II и III метровом, а также в дециметровом диапазоне волн.

Известны малогабаритные активные антенны, содержащие симметричный излучатель малой электрической длины и активный элемент (усилитель), подключенный непосредственно к плечам излучателя (Л.1). Выполнение активного элемента антенны по схеме балансного усилителя и подключение его противофазных входов непосредственно к плечам симметричного излучателя обеспечивает симметрию диаграммы направленности антенны.

Общими признаками с предлагаемым устройством является выполнение антенны в виде симметричного излучателя малой электрической длины с усилителем, подключенным к противофазным плечам излучателя.

Однако известные малогабаритные активные антенны не обеспечивают чувствительности, необходимой для приема сигналов телевизионного вещания в 1 - 12 телевизионных каналах (48,5.230 МГц) с низкой напряженностью электромагнитного поля. Объясняется это тем, что при уменьшении электрических размеров антенны до 0,1λ и менее ( l длина волны в свободном пространстве) резко уменьшаются коэффициент полезного действия (КПД) и коэффициент согласования по мощности антенны с усилителем. Совокупное действие этих двух факторов приводит к тому, что шумовая температура малогабаритной активной антенны в метровом диапазоне волн оказывается больше яркостной температуры атмосферных помех. Следовательно, отношение мощностей сигнала P_с и шума P_ш на выходе антенны становится меньше отношения P_с/P_ш в точке приема. Это является пределом возможной миниатюризации активных антенн.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является малогабаритная активная телевизионная антенна, содержащая симметричную ленточную рамку, общая длина "l" которой меньше 0,4λ₁, где λ₁ наибольшая длина волны первого телевизионного канала, в разрыв которой включено активное сопротивление, и малошумящий усилитель (Л. 2).

Общими признаками у данной и предлагаемой антенны является выполнение антенны в виде симметричной ленточной рамки, общая длина "l" которой меньше 0,4λ₁ наличие активного сопротивления, включенного в разрыв рамки, и малошумящего усилителя. Включение в разрыв рамки активного сопротивления позволяет согласовать по мощности выход антенны со входом усилителя и реализовать однонаправленную диаграмму по форме близкую к кардиоиде с коэффициентом направленного действия (КНД) по отношению к изотропному излучателю равным 2,2 дБ. При принятой общей длине рамки l=0,23λ₁ (диаметр рамки d 457 мм) и использовании малошумящего усилителя с коэффициентом шума K_ш 4,25 5,25 дБ в системе достигнут компромисс между отношением P_с/P_ш и шириной полосы пропускания по коэффициенту согласования по мощности антенны с усилителем, а также кардиоидной формой диаграммы направленности рамки.

Однако известная малогабаритная активная телевизионная антенна не обеспечивает высокой чувствительности, необходимой для приема слабых сигналов телевизионного вещания в 1.12 телевизионных каналах, особенно в каналах 1 метрового диапазона волн (48,5 6 МГц), имеющих место в сильнозастроенных затененных районах города и в сельской местности, удаленной от телецентра на 60 100 км. Объясняется это тем, что антенна при высоком согласовании с малошумящим усилителем (коэффициент согласования по мощности ξ = 0,988 имеет на первом телевизионном канале низкий КПД 0,5% (Л.3). Это меньше минимально допустимого КПД 1,1% при котором еще не ухудшается отношение P_с/P_ш на выходе антенны по сравнению с этим отношением в точке приема (Л.4). Кроме того, малошумящий усилитель в известной активной антенне подключен не непосредственно к симметричному выходу рамки, а к коротковолновому проходному фильтру, вносящему потери порядка 1 дБ и, следовательно, ухудшающему отношение P_с/P_ш на выходе антенны.

Таким образом, известные малогабаритные активные телевизионные антенны при малых по сравнению со стандартными телевизионными антеннами размерах и большой широкополосности не обеспечивают высокой чувствительности на выходе антенны, необходимой для приема слабых сигналов телевидения в 1.12 телевизионных каналах, имеющих место в сильно застроенных затененных районах города и в сельской местности, удаленной от телецентра на 60 100 км.

Предлагаемое устройство направлено на решение задачи создания эффективной малогабаритной активной телевизионной антенны для индивидуального приема слабых сигналов телевизионного вещания в 1.12 телевизионных каналах, когда обычно используются направленные многоэлементные антенны типа "волновой канал". Оно может быть использовано в жилых кварталах города при установке на крышах малоэтажных домов или на балконах многоэтажных домов и в сельской (дачной) местности, удаленной от телецентра на 60 100 км.

При осуществлении изобретения увеличивается чувствительность на выходе малогабаритной активной антенны в 1.12 телевизионных каналах. Это достигается за счет повышения КПД антенны, снижения потерь при подключении усилителя к выходу антенны и обеспечения постоянства шумов усилителя в диапазоне частот 1.12 телевизионных каналов.

Для решения поставленной задачи в известной малогабаритной активной телевизионной антенне, содержащей симметричную ленточную рамку, общая длина "l" которой меньше 0,4λ₁ где λ₁ наибольшая длина волны первого телевизионного канала, в разрыв которой включено активное сопротивление, и малошумящий усилитель, общая длина рамки и ширина h ленты выбраны из соотношений 0,281λ₁≅l≅0,357λ₁ и 0,0087λ₁≅h≅0,0162λ₁ а малошумящий усилитель подключен к симметричному выходу рамки через широкополосный симметрирующий трансформатор, с коэф. трансформации 4 1.

Не выявлены решения активной рамочной антенны, имеющей геометрию (электрические размеры), идентичную с геометрией предлагаемой малогабаритной активной телевизионной антенны, и такое же подключение малошумящего усилителя к выходу рамки, обеспечивающие увеличение чувствительности активной антенны. Следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию изобретательского уровня.

На фиг. 1 показана электрическая схема предлагаемой активной телевизионной антенны; на фиг. 2 общий вид предлагаемой антенны; на фиг. 3 - частотные зависимости КСВн антенны; на фиг. 4 экспериментальные диаграммы направленности антенны в плоскости вектора Е; на фиг. 5 экспериментальные амплитудно-частотные характеристики малошумящего усилителя; на фиг.6- экспериментальная частотная зависимость коэффициента усиления предлагаемой активной телевизионной антенны; на фиг. 7 частотный спектр уровней телевизионных сигналов 1 33 каналов, принимаемых на предлагаемую активную антенну.

Предлагаемая активная телевизионная антенна состоит из малогабаритной рамки 1, нагруженной на активное сопротивление 2, малошумящего усилителя 3, который подключается к симметричному выходу 4 рамки 1 через симметричный трансформатор 5, и коаксиального фидера 6 со штекером 7 для подключения антенны к телевизору. Рамка 1 выполнена из металлической ленты (листа) шириной h, лежащей в пределах 0,0087λ₁≅h≅0,0162λ₁, и толщиной t 0,5 1,0 мм. Общая длина "l" рамки 1 определяется соотношением 0,281λ₁≅l≅0,357λ₁. На наибольшей длине волны первого телевизионного канала λ₁=6185 мм (f₁ 48,5 МГц) соответственно имеем 1738 мм ≅ l ≅ 2208 мм и 54 мм ≅ h ≅ 100 мм. Рамка может иметь круглую, прямоугольную или квадратную форму. В последнем случае сторона "a" квадрата определяется соотношением

где d диаметр эквивалентной по длине круглой рамки.

Для первого телевизионного канала сторона "a" квадрата находится в пределах 435 мм ≅a≅ 552 мм и диаметр "d" эквивалентной круглой рамки 554 мм ≅d≅ 703 мм. В разрыв рамки 1 включено активное сопротивление R_н. Величина R_н зависит от размеров "a" и "h" рамки 1. Для нижних пределов a и h сопротивление R_н 360 Ом, для верхних пределов R_н 300 Ом.

Симметрирующий трансформатор 5 выполнен на двух дифференциальных (апериодических) трансформаторах, соединенных по схеме Рутрофа (см. фиг. 1). Обмотки расположены на тороидальном сердечнике типа μ ЗОВЧ2 к 4 x 2,5 x 1,2. Коэффициент трансформации симметрирующего трансформатора 4:1, т.е. сопротивления на его выходе и входе соответственно равны R_вых 300 Ом и R_вх 75 Ом. Симметричный выход трансформатора 5 подключен к симметричному выходу 4 рамки 1, а несимметричный вход трансформатора подключен к несимметричному входу малошумящего усилителя 3 с входным сопротивлением R_вх W₀ 75 Ом, где W₀ волновое сопротивление входа усилителя. Малошумящий транзисторный усилитель выполнен по однокаскадной схеме с общим эмиттером и внешней обратной связью в цепи коллектор-база, содержащей индуктивный элемент и последовательно включенное с ним активное сопротивление. Введение обратной связи обеспечивает широкополосное согласование с волновым сопротивлением W₀ 75 Ом и способствует выравниванию амплитудно-частотной характеристики усилителя и постоянству его шумов в 1.12 телевизионных каналах.

Источником питания малошумящего усилителя постоянным током служит малогабаритный блок 8 со стабилизированным напряжением 9 В. Подача постоянного тока осуществляется по коаксиальному кабелю 6, по которому также подается на вход телевизора усиленный усилителем 3 высокочастотный сигнал. Для предотвращения попадания постоянного тока на вход телевизионного приемника в разрыв коаксиального кабеля 6 включен фильтр развязки 9. Симметричные плечи 10 и 11 рамки 1 крепятся с помощью зажимов 12 к диэлектрическому основанию 13. К основанию 13 тремя винтами 14 крепится переходная втулка 15, позволяющая устанавливать рамку 1 на трубу мачты 17 или кронштейн 18. Кронштейн 18 служит для крепления антенны на балконе, стене 19 или крыше дома. Втулка 15 позволяет также поворачивать рамку 1 вокруг вертикальной оси мачты 17 или кронштейна 18 и тем самым производить ориентацию максимума ее диаграммы направленности на телецентр. Фиксация положения рамки 1 по максимуму уровня принимаемого сигнала и качеству изображения производится с помощью винтов 16.

Предлагаемая активная телевизионная антенна работает следующим образом. Сигналы телевизионного вещания на частотах 1.12 телевизионных каналов наводят высокочастотные токи на симметричных плечах 10 и 11 рамки 1, величина которых зависит от напряженности электромагнитного поля в точке приема и электрических размеров рамки. На наибольшей длине волны l₁=6185 мм мм первого телевизионного канала общая длина рамки находится в пределах 0,281λ₁≅l≅0,357λ₁, а сторона рамки "a" меньше 0,1λ₁. Поэтому на частоте первого телевизионного канала токи, наводимые в рамке 1, а, следовательно, и выделяемая на симметричном выходе 4 мощность сигнала P_c особенно при низкой напряженности электромагнитного поля в точке приема будут иметь малые значения. Введение в антенну малошумящего усилителя 3, включаемого непосредственно на выходе 4 рамки 1, позволяет увеличить P_с и исключить потери мощности P_с в элементах высокочастотного тракта, включаемых перед усилителем. Однако усилитель вносит в систему собственные шумы, мощность которых, пересчитываясь на выход 4 в P_ш, может существенно ухудшать чувствительность активной антенны. В конечном счете энергетическая эффективность малогабаритной приемной активной антенны определяется отношением P_с/P_ш на ее выходе, которое при данной напряженности поля сигнала и ширине полосы частот усилителя пропорционально чувствительности антенны, определяемой выражением (Л.4)

где S_эф и η эффективная поверхность и КПД антенны;
Т_я яркостная температура атмосферных шумов;
Т₀ 290 К стандартная температура;
Т_у шумовая температура усилителя.

Из (2) следует, что повысить чувствительность малогабаритной (S_эф мало) активной антенны можно путем уменьшения шумовой температуры Т_у усилителя, увеличения η рамки и коэффициента x согласования ее с усилителем. Современные малошумящие транзисторы средней стоимости позволяют реализовать усилители с коэффициентом шума на частоте первого телевизионного канала К_ш 3,0 3,5 дБ или Т_у приблизительно 360 К (Л.5 стр. 62, 63). Коэффициент согласования антенны с усилителем определяется формулой

где R_а и X_а активная и реактивная составляющие входного сопротивления антенны на заданной частоте;
R_у входное активное сопротивление усилителя.

В рамке, нагруженной на активное сопротивление R_н 360 Ом, образуется бегущая волна тока. Это при длине рамки l=0,281λ₁ (a 435 мм) обеспечивает формирование кардиоидной диаграммы направленности с максимумом излучения, направленным в сторону выхода 4. Диаграмма направленности близкая по форме к кардиоиде, сохраняется в диапазоне длин волн λ, в котором выполняется условие l≲λ. Рамка с a 435 мм позволяет выполнить это условие в диапазоне длин волн от первого до шестого телевизионного канала.

Рамка с бегущей волной тока на частоте первого телевизионного канала имеет входное сопротивление (Л.3) R_а + jX_а 360 + j50 Ом, активная составляющая которого при Z_н 360 Ом изменяется незначительно в диапазоне частот 1.12 телеканалов. Введение обратной связи в цепь коллектор-база транзистора малошумящего усилителя 3 позволяет реализовать широкополосное согласование несимметричного входа усилителя 3 с сопротивлением нагрузки Z_н 75 Ом. Симметрирующий трансформатор 5 обеспечивает широкополосное согласованное подключение симметричного высокоомного выхода 4 рамки 1 с R_вых 300 Ом к несимметричному низкоомному входу малошумящего усилителя 3 с R_вх 75 Ом. Следовательно, можно считать, что входное активное сопротивление R_у усилителя 3, интегрированного в рамку 1, равно сопротивлению R_вых 300 Ом. Для этих данных коэффициент ξ, вычисленный по формуле (3), имеет величину 0,986. Таким образом антенна хорошо согласована по мощности с малошумящим усилителем.

Постоянство импедансных характеристик рамки 1, нагруженной на активное сопротивление 2, в сочетании с широкополосным согласованием усилителя 3, подключаемого к симметричному входу 4 через широкополосной симметрирующий трансформатор 5, с рамкой 1 обеспечивает постоянство шумов усилителя в диапазоне частот 1.12 телеканалов. Тогда единственной возможностью увеличения чувствительности малогабаритной активной антенны является увеличение ее КПД. КПД малогабаритной нагруженной на активное сопротивление R_н рамки определяется формулой (Л.3):

где волновое сопротивление рамки;
эквивалентный радиус проводника ленточной рамки шириной h и толщиной t.

Из (4) видно, что увеличение η достигается за счет увеличения размера d рамки и уменьшения Z₀ путем увеличения a_э (h) рамки. Однако на размеры рамки с одной стороны наложено жесткое ограничение l<0,4λ₁ а с другой стороны менее жесткое (желательное) ограничение l≅λ_6-12 для формирования кардиоидной диаграммы на 6.12 телевизионных каналах. Минимальный размер активной рамочной антенны в этом случае определяется минимальной величиной η_min при которой отношение P_с/P_ш на выходе антенны равно отношению P_с/P_ш в точке приема (согласование по шумам). Согласно (Л.4) η_min определяется выражением

Совместное решение (4) и (5) дает минимальный размер рамки

Используя (6), определим минимальные размеры нагруженной малогабаритной активной рамочной антенны для наиболее энергетически напряженного первого телевизионного канала, при которых обеспечивается сохранение на выходе 4 антенны отношения P_с/P_ш, имеющегося в точке приема. По данным (Л.6) яркостная температура на частоте первого телеканала T_я 23200 к для сельской местности и T_я 72790 к для жилых кварталов города. Для этих данных при ξ = 0,986 и Z₀ R_н 360 Ом минимальный размер рюмки активной телевизионной антенны с малошумящим усилителем, имеющим T_у 360к, предназначенной для использования в жилых кварталах города, в соответствии с (6), равен d_min 554 мм (a_min 435 мм) или нижний предел для общей длины рамки l_н= 0,281 λ₁. Из соотношения Ом получаем ширину ленты рамки для нижнего предела h_н 54 мм или h_н= 0,0087λ₁ Для сельской местности (T_я 23200 к) при тех же условиях согласования антенны с малошумящим усилителем по мощности и шумам для Z₀ R_н 300 Ом на первом телевизионном канале имеем верхний предел минимальных размеров рамки d_min 703 мм (a_min 552 мм), h_в 100 мм или l_в= 0,357λ₁ и h_в= 0,0162λ₁ На частотах 2.12 телевизионных каналов КПД рамки при условии сохранения значений T_у 360 к и ξ = 0,986 будет η>η_min и, следовательно, активная антенна не ухудшает отношения P_с/P_ш, имеющего место в точке приема. Это условие на частотах 2.12 телеканалов выполняется, так как активная часть выходного сопротивления антенны R_a≃ Z_o≃R_н= 360 Ом, а реактивная составляющая не превышает значения то совместно обеспечивает высокое согласование по мощности антенны с усилителем и постоянство шумов усилителя во всем диапазоне частот 2.12 телеканалов.

Полученные выше размеры активной рамочной антенны меньше 0,1 лямбда₁ и существенно меньше размеров направленных антенн, обычно используемых для приема слабых сигналов телевизионного вещания в 1.12 каналах. Они являются оптимальными для активной антенны по критерию энергетической эффективности в 1. 12 телевизионных каналах, так как не ухудшают отношение P_с/P_ш на выходе антенны по сравнению с этим отношением в точке приема.

Сравним по чувствительности предлагаемую антенну и прототип. Предлагаемая рамочная антенна имеет минимальные размеры a_н 435 мм (d_н 554 мм), h_н 54 мм и максимальные размеры a_в 552 мм (d_в 703 мм), h_в 100 мм, а прототип имеет d 457 мм и h 51 мм. КПД рамок, вычисленные по формуле (4) на первом телеканале, равны η_н=0,009; η_в=0,028 и η =0,005. За счет увеличения КПД предлагаемой антенны чувствительность ее увеличивается по сравнению с прототипом на и на . Кроме того, за счет исключения из схемы активной антенны проходного фильтра чувствительность ее увеличивается примерно на 1 дБ. И, наконец, увеличение ширины рамки с h 51 мм до h 100 мм сужает ее диаграмму направленности и увеличивает направленность (КПД) в 1,32 раза, т.е. на 1,2 дБ (см. Л.3). Таким образом, достигнуто увеличение чувствительности по сравнению с прототипом на P 3,6 9,7 дБ.

Возможность достижения указанного технического результата была проверена экспериментально с использованием двух образцов активной рамки квадратной формы. У первого образца рамки имела размеры a 435 мм; h 54 мм; t 1,0 мм, у второго a 500 мм; h 100 мм; t 1,0 мм. Ширина последней рамки изменялась линейно от 100 мм по всей линии до 10 мм у входных и выходных концов. Активное сопротивление R_н имело величины соответственно 360 и 300 Ом. В образцах использовался широкополосный усилитель на малошумящем транзисторе 2T3990A с коэффициентом шума K_тр.≃ 1,5 дБ.. Усилитель имел в диапазоне частот 50 575 МГц (1 33 каналы) коэффициент усиления G_у 18.25 дБ с максимальным значением G_yмакс.≃ 25 дБ на частоте первого телевизионного канала и неравномерностью АЧХ (см. фиг. 5) не более 1,0 дБ на частотах 1.12 телеканалов. На фиг. 3 показаны частотные зависимости КСВн, характеризующие широкополосное согласование антенны по выходу усилителя в фидером снижения, имеющим волновое сопротивление W₀ 75 Ом. Видно, что значения КСВн в диапазоне частот 50 600 МГц изменяются от 1,2 до 2,3. Это является показателем достаточно высокой энергетической эффективности предлагаемой приемной системы, содержащей малогабаритный рамочный излучатель, малошумящий усилитель и фидер снижения, в широкой полосе частот телевизионных каналов. Экспериментальные диаграммы направленности предлагаемой антенны в горизонтальной плоскости (плоскости вектора E) в метровом (a) и дециметровом (б) диапазонах длин волн показаны на фиг. 4. Форма диаграммы направленности в широком диапазоне метровых волн изменяется от кардиоидной к восьмерке, а в дециметровом диапазоне становится четырехлепестковой с главным максимумом излучения, направленным в сторону выхода 4 рамки 1. Это позволяет не производить переориентацию антенны на телецентр при переходе от каналов метрового диапазона к каналам дециметрового диапазона.

Коэффициент усиления предлагаемой антенны с размером стороны a 435 мм в активном режиме по сравнению с изотропным излучателем изменяется в диапазоне длин волн 1 33 телевизионных каналов от 14 до 25 дБ (см. фиг.6). Это на 9 - 115 дБ выше усиления 5 10 элементной антенны типа "волновой канал" при существенно меньших размерах антенны.

Образец антенны с размером стороны a 500 мм имеет усиление на 3 дБ больше, чем образец с a 435 мм (см. фиг. 6). Представленный на фиг. 7 частотный спектр уровней телевизионных сигналов 1 33 каналов, принимаемых на предлагаемую внешнюю активную антенну на уровне седьмого этажа высотного здания в г. Ногинске Московской области подтверждает экспериментально, что антенна имеет достаточно высокую чувствительность (P_с/P_ш ≥15 дБ) на всех телевизионных каналах метрового и дециметрового диапазонов длин волн. Наибольшее увеличение уровней телевизионных сигналов наблюдалось в метровом диапазоне (см. фиг. 7a). Это объясняется как более высокой напряженностью поля принимаемых сигналов метрового диапазона по сравнению с дециметровым диапазоном в месте приема, так и тем, что оптимизация геометрии антенны по чувствительности была выполнена в 1.12 телевизионных каналах.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для приема сигналов телевизионного вещания в I, II и III метровом, а также в дециметровом диапазонах волн в сильнозастроенных районах города и в сельской местности. Предлагается малогабаритная активная телевизионная антенна, содержащая симметричную ленточную рамку, общая длина l которой меньше 0,4λ₁, , где λ₁ - наибольшая длина волны первого телевизионного канала, в разрыв которой включено активное сопротивление, и малошумящий усилитель. С целью увеличения чувствительности в рабочем диапазоне 1 - 12 телевизионных каналов, общая длина l рамки и ширина h ленты выбраны из соотношений
0,281λ₁≅l≅ 0,357λ₁ и 0,0087λ₁≅h≅0,0162λ₁,
а малошумящий усилитель подключен к симметричному выходу рамки через широкополосный симметрирующий трансформатор с коэффициентом трансформации 4 : 1. Коэффициент усиления предлагаемой антенны в активном режиме по сравнению с изотропным излучателем изменяется в диапазоне длин волн 1 - 33 телевизионных каналов от 14 до 25 дБ, а отношение мощностей сигнала и шума P_с/P_ш ≥ 15 дБ на всех телевизионных каналах метрового и дециметрового диапазонов. 7 ил.

Малогабаритная активная телевизионная антенна, содержащая симметричную ленточную рамку, общая длина l которой меньше 0,4λ₁, где λ₁ наибольшая длина волны первого телевизионного канала, в разрыв которой включено активное сопротивление и малошумящий усилитель, отличающаяся тем, что общая длина l рамки и ширина h ленты выбраны из соотношений 0,281λ₁ ≅ l ≅ 0,357λ₁
и 0,0087λ₁ ≅ h ≅ 0,0162λ₁, а малошумящий усилитель подключен к симметричному выходу рамки через широкополосный симметрирующий трансформатор с коэффициентом трансформации 4:1.