ШИРОКОПОЛОСНАЯ ЗИГЗАГООБРАЗНАЯ АНТЕННА С РЕФЛЕКТОРОМ Российский патент 1998 года по МПК H01Q19/00 

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для использования в качестве коллективных и индивидуальных приемных телевизионных антенн преимущественно в дециметровом диапазоне длин волн; а также в средствах радиосвязи, например в радиотелефонах.

Известно устройство "Плоская антенна для приема сигналов спутникового вещания" по авторскому свидетельству СССР N 1617501, МКИ5 H 01 Q 19/00, опубликованному в реферативном журнале "Изобретения стран мира" вып. 106, N6, 1991 г. Устройство содержит прямоугольный металлический экран и два идентичных зигзагообразных ленточных проводника (они имеются и в заявляемом устройстве), расположенных в плоскости, параллельной плоскости экрана. Указанное устройство содержит также диэлектрическую пластину, на обеих сторонах которой имеются металлические ленточные проводники.

Такое решение (использование диэлектрической пластины с дополнительными ленточными проводниками на ее обратной стороне) позволяет уменьшить габариты и увеличить коэффициент усиления антенны, однако в ней нельзя достигнуть низкого значения коэффициента стоячей волны в коаксиальном кабеле и, как следствие этого, согласования антенны с кабелем в широком диапазоне частот. Причина заключается в том, что при использовании плоских зигзагообразных ленточных проводников, расположенных в плоскости, параллельной металлическому экрану, коэффициент стоячей волны будет малым только в узком диапазоне частот, в пределах которого осуществляется компенсация реактивных электромагнитных полей с помощью металлических ленточных проводников на диэлектрической пластине.

Другое известное устройство "Приемная телевизионная антенна" по патенту N 576031, Австралия, МКИ4 H 01 Q 9/28, опубликованное в реферативном журнале "Радиотехника" N9, 1989 год, включает в себя активный излучатель в виде двух ромбических рамок (как и в заявляемом устройстве). Ромбические рамки совмещены в одной плоскости одна внутри другой. Периметр каждой из рамок выбран таким образом, что одна из них является резонансной на 9-м телевизионном канале, а другая - на 7-м канале. Описанный активный излучатель входит в состав антенны типа "волновой канал". Недостатком данной конструкции является невозможность достижения низкого значения коэффициента стоячей волны в широком диапазоне частот, так как вследствие резонансных размеров каждой из рамок они согласованы с кабелем только в узком диапазоне вблизи резонансной частоты, то есть только в пределах 9-го и 7-го каналов.

Из известных решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является устройство-прототип "Зигзагообразная антенна с рефлектором", опубликованное в книге: Харченко К.П. УКВ антенны. -М.: ДОСААФ, 1969 год, с. 93-96, рис.68. Антенна состоит из активного вибратора в виде двух идентичных металлических ромбических рамок и плоского рефлектора, которые присутствуют и в заявляемом устройстве. Плоский рефлектор параллелен активному вибратору. Расстояние S от рефлектора до активного вибратора влияет на согласование с коаксиальным кабелем и выбирается из условия S > 0,18λ_н, где λ_н - длина волны на нижней частоте рабочего диапазона (максимальная длина волны).

В прототипе также не достигается технический результат - снижение коэффициента стоячей волны в кабеле антенны в широком диапазоне частот, так как у такой антенны малый по величине коэффициент стоячей волны (порядка 1,3) достигается только в узком диапазоне частот, а затем он возрастает до значений 2 - 4 за счет действия плоского рефлектора. Значительно же увеличивать расстояние S нельзя, так как это ведет к уменьшению коэффициента усиления (см. Харченко К.П. УКВ антенны. -М.: ДОСААФ, 1969 год, с.96, рис.69).

Задача, для решения которой предназначено предлагаемое техническое решение, состоит в улучшении качества телевизионного приема и увеличении дальности приема при той же чувствительности телевизионного приемника за счет улучшения согласования антенны с питающим коаксиальным кабелем.

Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в снижении коэффициента стоячей волны в кабеле антенны в широком диапазоне частот с коэффициентом не менее 1,5-2.

Технический результат достигается тем, что в широкополосной зигзагообразной антенне с рефлектором, содержащей активный вибратор в виде двух идентичных металлических ромбических рамок, расположенных симметрично относительно точек питания, и плоский рефлектор, отстоящий от активного вибратора на расстоянии S, каждая ромбическая рамка имеет форму боковой поверхности правильной усеченной пирамиды, боковые грани которой являются трапециями с длиной нижнего основания L = (0,25-0,33)λ_н, длиной верхнего основания l=L-2d и высотой а расстояние S равно (0,2-0,25)λ_в и отсчитывается от верхнего основания трапеции, обращенного к плоскому рефлектору, при этом d = 0,125(λ_н-λ_в), где λ_н - длина волны на нижней частоте рабочего диапазона, λ_в - длина волны на верхней частоте рабочего диапазона.

Пример реализации изобретения в дециметровом диапазоне длин волн приведен для случая выполнения активного вибратора из сплошной металлической полосы (хотя, например, на более низких частотах антенны такого типа обычно выполняют в виде нескольких коллинеарных тонких проводников). Изготовить активный вибратор можно штамповкой, что обеспечивает технологичность конструкции. Наиболее подходящим материалом по мнению авторов является листовой алюминий или его сплавы, или тонкая луженая жесть.

Возможность достижения технического результата изобретения - снижение коэффициента стоячей волны в кабеле антенны в широком диапазоне частот с коэффициентом перекрытия не менее 1,5 - 2 подтверждается следующими теоретическими выводами и физическими принципами работы антенн. Известно, что в вибраторах и рамочных антеннах, разновидностью которых является заявляемое устройство, максимальные ток и электродвижущая сила (ЭДС) развиваются в том проводнике, длина которого является резонансной, то есть кратна половине длины волны (см. Родионов В.М. Линии передачи и антенны УКВ (номограммы). -М. : Энергия, 1977. - с.73,76). Применительно к зигзагообразным антеннам, рассчитанным на одну частоту (узкополосным), резонансный периметр каждой из ромбических рамок равен длине волны λ. В широкополосных зигзагообразных антеннах, например в прототипе, активный вибратор выполнен не из тонкого проводника, а в виде широкой металлической полосы. При этом внешний и внутренний периметры каждой из ромбических рамок составляют соответственно λ_н (длина волны на нижней частоте рабочего диапазона) и λ_в (длина волны на верхней частоте), ширина металлической полосы равна 0,125(λ_н-λ_в), и коэффициент перекрытия диапазона частот составляет λ_н/λ_в. В заявляемой широкополосной зигзагообразной антенне с рефлектором, как и в прототипе, на каждой частоте рабочего диапазона наибольший ток в активном вибраторе будет протекать вдоль контура резонансного размера (например, это более наглядно видно при выполнении активного вибратора в виде набора тонких коллинеарных проводников). Рефлектор на данной частоте должен отстоять от активного вибратора на расстоянии в четверть длины волны для того, чтобы прямой и отраженный от рефлектора сигналы складывались в фазе в направлении максимума излучения. В этом случае коэффициент стоячей волны в кабеле антенны будет минимальным и, следовательно, антенна наилучшим образом будет согласована с кабелем. Однако для широкополосных антенн длина волны в диапазоне частот не остается постоянной (изменяется в пределах λ_в-λ_н) и, таким образом, согласование, например в антенне-прототипе, в строгом смысле достижимо только на единственной частоте, а на других частотах у нее расстояние между активным вибратором и рефлектором не будет составлять четверть длины волны. В заявляемом же устройстве форма активного вибратора в виде граней правильных усеченных пирамид размерами L, l, h, а также расстояние S = (0,2-0,25)λ_в до рефлектора обеспечивают на каждой частоте рабочего диапазона требуемое четвертьволновое расстояние от плоского рефлектора до "резонансного контура" на активном вибраторе. Это, в свою очередь, определяет малый по величине и постоянный в диапазоне рабочих частот коэффициент стоячей волны в питающем кабеле антенны, то есть хорошее ее согласование с кабелем в широком диапазоне частот.

Отметим, что в практических конструкциях вибраторных антенн из-за отличия между математической и физической моделями (конечные толщина и проводимость вибраторов, неточности изготовления и так далее) указанное расстояние между активным вибратором и рефлектором может не быть строго равным четверти длины волны, но сам принцип и вышеприведенное обоснование от этого не меняются.

Изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг. 1 приведен эскиз одного из вариантов исполнения широкополосной зигзагообразной антенны с рефлектором с обозначением характерных размеров, на фиг. 2, 3 изображен ее общий вид в аксонометрической проекции в прямоугольной декартовой системе координат X, Y, Z для двух вариантов исполнения активного вибратора - изготовленного из сплошной металлической полосы (фиг. 2) и в виде набора коллинеарных тонких проводников (фиг. 3).

Широкополосная зигзагообразная антенна с рефлектором содержит активный вибратор 1 из двух идентичных металлических ромбических рамок 2 и 3 и плоский рефлектор 4, отстоящий от активного вибратора на расстоянии S. Ромбические рамки 2, 3 расположены симметрично относительно точек питания, к которым необходимо подключать коаксиальный кабель (как и в известных конструкциях зигзагообразных антенн) (фиг. 1-3).

Каждая ромбическая рамка 2, 3 имеет форму боковой поверхности правильной усеченной пирамиды, у которой боковые грани - это трапеции с размерами: нижнего основания L = (0,25-0,33)λ_н, верхнего основания l= L-2d и высотой Верхнее основание трапеции обращено в сторону плоского рефлектора 4. Расстояние от верхнего основания трапеции до рефлектора 4 равно S = (0,2-0,25)λ_в, при этом d = 0,125(λ_н-λ_в), где λ_н и λ_в - соответственно длины волн на нижней и верхней частотах рабочего диапазона (фиг. 1).

Работает устройство следующим образом. Приходящий со стороны активного вибратора антенны принимаемый телевизионный сигнал создает ЭДС на зажимах антенны в точках подключения коаксиального кабеля. Прием в широком диапазоне частот обеспечивается конструкцией активного вибратора - либо в виде широкой металлической полосы, либо в виде нескольких проводников разной длины, отстоящих друг от друга на некотором расстоянии (см. Седов С.А. Индивидуальные видеосредства: Справочное пособие: -К. : Наук. думка, 1990. - с.108, рис. 2.11). За счет того, что в заявляемом устройстве на каждой рабочей частоте обеспечено одинаковое электрическое (то есть отнесенное к длине волны) расстояние от рефлектора до каждого плоского зигзагообразного контура "резонансного размера" на активном вибраторе, коэффициент стоячей волны минимален во всем рабочем диапазоне частот. Это означает хорошее согласование антенны с кабелем, что, как известно, повышает качество телевизионного приема (нет двойных контуров на изображении и т.д.), увеличивает дальность приема.

Как и в известных конструкциях антенн этого типа (например, в прототипе), коаксиальный кабель от точек питания прокладывается вдоль одной из половин ромбической рамки (для симметрирования) и далее за рефлектор.

Использование совокупности новых признаков - придание активному вибратору формы боковой поверхности правильной усеченной пирамиды, боковые грани которой являются трапециями с длиной нижнего основания L = (0,25-0,33)λ_н, длиной верхнего основания l=L-2d и высотой ; и выполнение расстояния S, отсчитываемого от верхнего основания трапеции длиной l, обращенного к плоскому рефлектору, равным (0,2-0,25)λ_в, выгодно отличает предлагаемую широкополосную антенну с рефлектором от прототипа.

Авторами были проведены экспериментальные исследования макетов антенн - заявляемого устройства и прототипа. Макет широкополосной зигзагообразной антенны с рефлектором представлял собой следующую конструкцию. Активный вибратор был выполнен из полосы луженой жести шириной h=45 мм и имел размеры L=180 мм, l=140 мм. К точкам питания подключался 75-омный коаксиальный кабель. Рефлектор состоял из 21 алюминиевой полоски шириной 10 мм и длиной 450 мм каждая, отстоящих на расстоянии 30 мм друг от друга. Расстояние S от активного вибратора до рефлектора менялось в эксперименте от 60 мм до 200 мм. В макете антенны-прототипа активный вибратор был изготовлен из того же материала и имел те же размеры L и l; а ширина полосы соответствовала размеру d и составляла 20 мм. Рефлектор использовался тот же.

В ходе эксперимента измерялся коэффициент стоячей волны антенн в диапазоне частот 470 - 610 МГц. Было установлено, что для макета заявляемой антенны оптимальным является расстояние до рефлектора S=100 - 120 мм, при этом во всем указанном частотном диапазоне коэффициент стоячей волны был в пределах 1,16 - 1,63. Аналогичные измерения для антенны-прототипа показали, что у нее наилучший коэффициент стоячей волны наблюдался при расстояниях между активным вибратором и рефлектором 130 - 140 мм, и он был в пределах 1,59 - 2,15.

Таким образом, данные эксперимента подтверждают факт достижения технического результата предлагаемого изобретения - снижение коэффициента стоячей волны в питающем коаксиальном кабеле антенны в широком диапазоне частот и, следовательно, улучшение согласования антенны с кабелем.

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для использования в качестве коллективных и индивидуальных приемных телевизионных антенн преимущественно в дециметровом диапазоне длин волн; а также в средствах радиосвязи, например в радиотелефонах. Для достижения технического результата, заключающегося в снижении коэффициента стоячей волны в кабеле антенны в широком диапазоне частот с коэффициентом перекрытия не менее 1,5...2, в широкополосной зигзагообразной антенне с рефлектором, содержащей активный вибратор в виде двух идентичных металлических ромбических рамок, расположенных симметрично относительно точек питания, и плоский рефлектор, отстоящий от активного вибратора на расстоянии S, каждая ромбическая рамка имеет форму боковой поверхности правильной усеченной пирамиды, боковые грани которой являются трапециями с длиной нижнего основания L = (0,25-0,33)λ_н, длиной верхнего основания l=L-2d и высотой а расстояние S равно (0,2-0,25)λ_в и отсчитывается от верхнего основания трапеции длиной l, обращенного к плоскому рефлектору, при этом d = 0,125(λ_н-λ_в), где λ_н - длина волны на нижней частоте рабочего диапазона, λ_в - длина волны на верхней частоте рабочего диапазона. 3 ил.

Широкополосная зигзагообразная антенна с рефлектором, содержащая активный вибратор в виде двух идентичных металлических ромбических рамок, расположенных симметрично относительно точек питания, и плоский рефлектор, отстоящий от активного вибратора на расстоянии S, отличающаяся тем, что каждая ромбическая рамка имеет форму боковой поверхности правильной усеченной пирамиды, боковые грани которой являются трапециями с длиной нижнего основания L = (0,25-0,33)λ_н, длиной верхнего основания l = L - 2d и высотой а расстояние S равно (0,2-0,25)λ_в и отсчитывается от верхнего основания трапеции, обращенного к плоскому рефлектору, при этом d = 0,125(λ_н-λ_в), где λ_н - длина волны на нижней частоте рабочего диапазона, λ_в - длина волны на верхней частоте рабочего диапазона.