ТЕЛЕВИЗИОННАЯ ПРИЕМНАЯ АНТЕННА Российский патент 1997 года по МПК H01Q13/08 

Изобретение относится к радиоэлектротехнике и может быть использовано при конструировании широкополосных антенн, где известны поперечные и продольные излучатели. Такие излучатели реализуют рупорные, линзовые, зеркальные, дискретные антенны, антенны поверхностных волн, и антенны в виде открытых продольных излучателей (Р.Кюн Микроволновые антенны. М. Судостроение, 1967, с. 95, 198, 258, 304, 373, 420).

Указанные антенные системы (АС) являются эффективными устройствами, позволяющими получить удовлетворительные технические характеристики в ограниченной полосе частот. При попытке создания АС с полосой пропускания в несколько октав, декад возникают значительные технические трудности с обеспечением высоких электрических параметров: ширины диаграммы направленности (ДН), низкого уровня боковых лепестков (УБЛ), подавление побочных дифракционных максимумов (ПДМ), коэффициента усиления (КУ) в указанной полосе частот. В настоящее время потребность в АС с полосой пропускания больше декады велика, особенно для приема (передачи) программ телевизионного 4М- и ФМ- вещания.

Известно техническое решение, где предложена широкополосная антенна, содержащая плоскую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнена система возбуждения и многоуровневый излучающий раскрыв, реализующий динамическое амплитудно-фазовое распределение (ДАФР) [1] Конструкция антенны с набором многоуровневых излучателей реализует схему последовательно-параллельных периодических устройств (излучателей), которые представляют собой набор пространственно-временных фильтров (резонаторов) с временной и пространственной связью.

Недостатками указанного устройства являются: наличие потерь, связанных с несимметричностью системы возбуждения (суммирования), относительно большая пространственная (продольная) протяженность.

Задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение состоят в уменьшении потерь в системе возбуждения (суммирования), получении перекрывающегося амплитудно-фазового распределения, представляющего собой суперпозицию амплитуд распространяющихся мод, реализующего ДАФР на апертуре АС, увеличение полосы пропускания.

Поставленные задачи решены следующим образом. Предлагаемая конструкция телевизионной приемной антенны содержит плоскую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнена полосковая система возбуждения и связанный с ней излучающий раскрыв, который состоит из рупорных излучателей. Каждая стенка рупорного излучателя состоит из связанных между собой проводящих элементов, причем замыкающий элемент представляет собой металлический стержень. Все стержни пересекаются в точках, образующих уровни скачкообразных переходов. Стержни крайних стенок рупорных излучателей соединены с экраном полосковой системы без электрического контакта.

Изобретение отвечает критерию "новизна", так как из общеизвестных источников информации не известно технических решений, характеризующихся описанной выше совокупностью существенных признаков.

Изобретение отвечает критерию "изобретательский уровень", так как благодаря такому конструктивному решению антенны стало возможным решить поставленные задачи.

На фиг. 1 изображена широкополосная линейная антенная решетка; на фиг. 2 механизм переотражения собственных мод (волн) на неоднородностях, реализующих перекрывающееся амплитудно-фазовое распределение; на фиг. 3 - принцип суперпозиций и взаимодействие распространяющихся высших и низших структур мод с учетом их взаимодействия для случая синфазного возбуждения неоднородностей "скачкообразного" перехода; на фиг. 4 принцип укорочения пространственной протяженности АС; на фиг. 5 а, б, в внешний вид конструкции АС, фрагменты узла возбуждения и симметричной полосковой линии.

На фиг.1 обозначены: 1 корпус АС, металлические пластины которого являются экраном для полосковой линии, 2 согласующий резонатор, 3 расходящаяся щель, переходящая в плоский рупор, 4 излучатель нулевого уровня (плоский рупор), 5 излучатель первого уровня (область связи М1), 6 - излучатель второго уровня (область связи М2), 7 образующие излучателя нулевого уровня (металлический стержень), 8 образующие излучателя первого уровня (металлический стержень), 9 образующие излучателя второго уровня (металлический стержень), 10 удлинитель образующей излучателя второго уровня (металлический стержень), 11 точки соединения образующей 9 и удлинителя образующей 10, в которой выполнен электрический контакт, 12 точки соединения удлинителя 10 с корпусом 1, в которой отсутствует электрический контакт, 13
токонесущие полоски линии, реализующие систему возбуждения (суммирования).

На фиг. 5 а, б, в обозначены: 1 металлические пластины корпуса, 2 - согласующий резонатор, выполненный на каждой из пластин корпуса, 3 - двухщелевые линии, которые пересекаются с токонесущей полоской полосковой линии (13), точки пересечения последних определяют входной импеданс антенной решетки, 4 набор излучателей нулевого уровня, 5 набор излучателей первого уровня, 6 излучатель второго уровня, 7, 8, 9 образующие излучателей всех уровней, 10 удлинитель образующей (проводник в свободном пространстве), 13 - токонесущая полоска симметричной полосковой линии.

На фиг. 1 изображен пунктиром набор токонесущих полосок, которые реализуют систему возбуждения (суммирования) АС и совместно с пластинами корпуса 1 образуют полосковую линию, штрих-пунктирные линии, проведенные через точки 0,01 ортогональны плоскости раскрыва АС и являются осями симметрии для излучателей первого и второго уровней. Точки 0,01 характеризуют местоположение неоднородностей, для которых могут быть сформулированы граничные условия, поскольку они находятся внутри направляющих систем (областей связи М1, М2), образованных продолжением внешних (наружных) стенок (образующих) излучателей соответствующих уровней. Так, для области связи М1(М2) этими продолжениями являются отрезки 0'01', 0"01, 0"01", 0'01 (01' 02', 01"02"). После точек 0,01 линейный размер апертуры каждый раз скачком увеличивается не менее чем в два раза. Точки 02'02" также характеризуют неоднородности, в которых излучатель второго уровня (раскрыв антенной системы) стыкуется со свободным пространством.

В общем случае образующие излучателей не обязательно должны быть прямыми линиями и являться продолжением прямой (7, 8, 9). они могут быть экспонентами, ломанными линиями. Для более четкой фиксации граничных условий областей связи образующие соседних элементов при пересечении (точки 0,01) должны описываться "разрывной" функцией, то есть иметь "острие", а не плавную кривую.

АС, реализующая динамическое амплитудно-фазовое распределение, представляет из себя набор излучателей нулевого уровня (n₀ 2P) с размерами раскрыва больше половины длины волны, расположенных попарно один возле другого. Пары соседних излучателей могут отстоять друг от друга на различных расстояниях, но должны быть всегда симметричны относительно осевой линии, проведенной через точку пересечения соседних (смежных) стенок, перпендикулярных раскрыву. У каждой пары соседних излучателей продолжены внешние (наружные) образующие до их взаимного пересечения на длину l₁, что позволяет создать п₀/2 неоднородностей в виде "скачкообразного" перехода и получить 2^p-1 излучателей первого уровня (область связи М1), в которых реализованы условия для возбуждения распространяющихся мод, как высших, так и низших. Затем у каждой соседней пары излучателей первого уровня продолжены внешние образующие на длину l₂, что позволяет создать п₀/2^p неоднородностей в виде "скачкообразного" перехода и получить 2^p-2 излучателей второго уровня (область связи М2), в которых реализованы условия для возбуждения распространяющихся мод, как высших, так и низших. Описанный процесс с соседними парами излучателей разных уровней продолжается до тех пор, пока n₀/2^p 1, где характеризует количество уровней (скачков), для фиг. 1 р 2. В таком случае АС в своем составе имеет: количество элементов нулевого уровня n₀ 2^p, количество элементов первого уровня n₁ 2^p-1, количество элементов второго уровня n₂ 2^p-2, количество элементов высшего уровня m n 2^p-m1, а общее количество элементов (излучателей), формирующих ДФАР определяется соотношением

Особенностью построения структуры АС является тот факт, что излучатели любого уровня (кроме нулевого) построены по одинаковой схеме и обязательно содержат в своем составе неоднородность типа "скачкообразный" переход, которая возбуждает направляющую систему и для которой могут быть строго сформулированы граничные условия. Механизм формирования структуры поля в апертуре элемента любого уровня (кроме нулевого) совершенно одинаков, а отличаются они только различными граничными условиями, которые в общем случае являются периодическими (квазипериодическими).

На фиг. 2 изображены переотражения собственных волн между неоднородностями в направляющей системе. Для областей связи М1, М2 плоскость 1 соответствует стыкам 0'0", 01'01" соответственно, часть пространства слева от стыков 0'0", 01'01" обозначены как область I, плоскость 2 соответствует стыкам 01'01", 02'02" соответственно, пространство справа от стыков 01'01", 02'02" обозначено как область II.

На плоскость 1 из области I падает волна Е₀ единичной амплитуды структуры Н1. Часть энергии отражается обратно в область 1 в виде того же типа волны с амплитудойNn} n₁₁ Оставшаяся часть проходит в область связи М в виде волн Нр сплошные линии) с амплитудамиNm} 1р, где р 1, 2, 3.i,j, k. Количество типов волн в области М не ограничивается. У плоскости 2 волны Нр приобретают дополнительный фазовый набег и имеют амплитуды Р1р. Каждая волна Нр на плоскости 2 преобразуется в прошедшую волну области II с амплитудой Р_1p•R_p1 и отраженные волны учитываемых типов с амплитудами Р_1p{Мm}pg, где р, g 1, 2, 3. i, j, k. Отраженные волны вновь падают на плоскость 1, частично проходят в область 1, остальная часть отражается в свою очередь в виде набора учитываемых волн.

Рассмотрев несколько последовательных отражений, можно обнаружить ряд закономерностей, позволяющих рассчитать амплитуды AmII и AmII поля, появившегося соответственно в областях II и II за счет многократных переотражений волн между неоднородностями. Амплитуды AmI и AmII равны сумме слагаемых, количество которых соответствует числу учитываемых волн, каждое слагаемое равно произведению коэффициента VрI для AmI и RpI для AmII на суммарную амплитуду волны с индексом "p" в области М вблизи плоскости 2.

Если на плоскость 1 одновременно падает несколько волн структуры Н1, то кроме рассмотренного механизма переотражений между волнами Нр одинаковой структуры будет наблюдаться суперпозиция. Благодаря суперпозиции можно выделить либо только четные, либо только нечетные волны либо получить набор всех волн с нужными амплитудами, а за счет подбора протяженности области "1" получить требуемый фазовый набег.

На фиг. 3 поясняется механизм суперпозиции для самого простого случая, когда в области связи М учтены только одна четная и одна нечетная моды (при этом механизм переотражений не рассматривается).

При синфазном возбуждении излучателей нулевого уровня волной структуры Н1 в силу граничных условий и условий возбуждения неоднородностей скачкообразного перехода в областях связи М1, М2 распространяются низшие 1', 2'; 1а', 2а' и высшие 1", 2"; 1а", 2a". При этом моды 1' и 2'; 1а" и 2а" окажутся в фазе, 1" и 2"; 1а" и 2а" в противофазе. В результате суперпозиции в каждой из областей М1, М2 остается только результирующая мода (1'+ 2'); (1а' + 2а') нечетная, причем мощность, переносимая этой модой, равна сумме мощностей, подаваемых на вход.

Если в обычной АР распределение поля на раскрыве считается дискретным, то в заявляемой АС оно является непрерывным (ДАФР), что и объясняет отсутствие побочных дифракционных максимумов в сверхширокой полосе частот.

Известно, что простой рупорный излучатель имеет на раскрыве несинфазное распределение. С целью получения большого усиления при значительном ослаблении УБЛ его угол раскрыва берут небольшим (≅ 30 ) при значительной линейной (пространственной) протяженности (10-20 длин волн свободного пространства), что делает конструкцию громоздкой. Фиг. 4 поясняет принцип продольного укорочения (пространственного сжатия) такого рупора, обозначения 4, 5, 6, 11, 12 соответствуют фиг. 1.

Исходный рупор имеет пространственную протяженность L'. Выбрав нужным образом местоположение плоскостей зеркального отображения "m" скачка, его протяженность можно довести до величины L, когда коэффициент пространственного укорочения есть
Ксж L'/L.

На базе предлагаемой АС могут быть созданы очень эффективные (с точки зрения энергетики) плоские АР в виде слоеной структуры, объединенной дополнительным ортогональным сумматором, по известным способам конструирования двумерных АР. Проблема уменьшения потерь решена посредством реализации системы возбуждения (суммирования) на симметричной полосковой линии, которая образована пластинами корпуса 1 и токонесущими полосками 13 фиг. 5. С целью увеличения размера апертуры образующие 9 могут быть пространственно разнесены.

Таким образом, предложенная АС обладает совершенно новыми свойствами:
искусственно создан разрыв непрерывности в апертуре, который зависит от частоты, что способствует увеличению излучения и расширению полосы пропускания;
в раскрыве существует только структура волны (мода) основного типа и не возбуждаются высшие моды, несмотря на то, что в нем существуют условия для возбуждения распространения последних;
период функции возбуждения АФР и линейные размеры исходных рупоров и излучающего раскрыва удовлетворяют принципу пространственно-частотной периодичности;
верхняя частота ограничивается только свойствами узла возбуждения излучателя нулевого уровня, а нижняя эффективным пространственным размером излучающего раскрыва;
по способу возбуждения заявляемая АС относится к классу АР с дискретным АФР, а по способу излучения к классу апертурных антенн с непрерывным АФР, что и объясняет отсутствие побочных дифракционных максимумов и полосу пропускания в несколько декад.

Предлагаемая приемная антенна найдет применение в беспроводных системах передачи информации.

Изобретение относится к области радиоэлектротехники и может быть использовано при конструировании широкополосных антенн, где известны поперечные и продольные излучатели. Задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение состоят в уменьшении потерь в системе возбуждения (суммирования, получении перекрывающегося амплитудно-фазового распределения, представляющего собой суперпозицию амплитуд распространяющихся мод, реализующего ДАФР на апертуре АС, увеличение полосы пропускания. Поставленные задачи решены следующим образом. Предлагаемая конструкция телевизионной приемной антенны содержит плоскую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнена полосковая система возбуждения и связанный с ней излучающий раскрыв, который состоит из рупорных излучателей. Каждая стенка рупорного излучателя состоит из связанных между собой проводящих элементов, причем замыкающий элемент представляет собой металлический стержень. Все стержни пересекаются в точках, образующих уровни скачкообразных переходов. Стержни крайних стенок рупорных излучателей соединены с экраном полосковой системы без электрического контакта. Предлагаемая приемная антенна найдет применение в беспроводных системах передачи информации. 5 ил.

Телевизионная приемная антенна, содержащая плоскую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнена полосковая система возбуждения и связанный с ней многоуровневый излучающий раскрыв, состоящий из рупорных излучателей, отличающаяся тем, что стенки, образующие рупорные излучатели, выполнены в виде соединенных между собой металлических стержней, пересекающихся в точках, характеризующих скачкообразные переходы уровней, а стержни крайних стенок крайних рупорных излучателей соединены с экраном полосковой системы без электрического контакта.