ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА Российский патент 2000 года по МПК H01Q19/10 

Изобретение относится к антенной технике, а именно к петлевым антеннам и может быть использовано в качестве приемной и передающей антенны для телевидения, радиовещания, радиосвязи и т.д. Изобретение может использоваться как самостоятельная антенна и как элемент широкополосной антенной решетки.

Известна петлевая антенна [1], представляющая собой проводящую петлю, периметр которой равен длине волны λ (волновая антенна). Форма петли может быть различной: круглой, квадратной, треугольной и т.д. Петлевая волновая антенна имеет коэффициент усиления 3 дБ относительно линейной антенны полуволновой длины (полуволнового вибратора), ее входное сопротивление равно 110 Ом.

Одним из недостатков антенны является узкая полоса пропускания (полоса пропускания - это тот интервал частот, в котором сохраняются основные параметры антенны: входное сопротивление, диаграмма направленности, поляризационные характеристики). Другим недостатком антенны является низкий коэффициент защитного действия (КЗД), представляющий собой отношение уровня сигнала, принимаемого антенной с основного направления, к уровню сигнала, принимаемого с противоположного направления. Петлевая антенна работает в полосе частот не более 10% и имеет КЗД, равный 0 дБ, что не обеспечивает качественный прием сигналов в условиях помех и переотраженных сигналов.

Известна петлевая антенна [2], содержащая активный излучающий элемент (далее излучатель), пассивный отражающий элемент (далее рефлектор) и короткозамкнутый шлейф, подключенный к зажимам рефлектора. Рефлектор по форме и размерам совпадает с излучателем и отстоит от последнего на расстоянии (0,1-0,2)λ. Настройка антенны по максимальному КЗД или по максимальному коэффициенту усиления (КУ) осуществляется с помощью изменения длины короткозамкнутого шлейфа. Антенна имеет КУ, равный 8 дБ, и КЗД, равный 15-20 дБ. Входное сопротивление антенны приближенно равно 60 Ом и хорошо согласуется с волновым сопротивлением 75-омного фидера.

Недостатком этой антенны как телевизионной антенны или антенны для приема широкополосных сигналов является узкая полоса пропускания (не превышающая 10 %). Так, для приема телевизионных программ антенна может быть использована в пределах какого-либо одного канала метрового диапазона или нескольких смежных каналов дециметрового диапазона.

Известна широкополосная симметричная антенна [3], плечи которой выполнены в виде одинаковых преимущественно квадратной формы петель с периметром λ_max (максимальная рабочая длина волны), расположенных в одной плоскости зажимами навстречу друг другу. Зажимы отдельной петли соединены с отстоящими на (0,01-0,05)λ_max противолежащими зажимами другой петли и образуют вход антенны. Антенна имеет КУ 6-8 дБ и работает в полосе частот не менее октавы при коэффициенте бегущей волны (КБВ) в 75-омном тракте не менее 0,5.

Недостатком антенны является низкий КЗД, равный 0 дБ, не обеспечивающий защиту от помех и отраженных сигналов, приходящих с обратного направления.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является антенна, содержащая симметричный излучатель и рефлектор [4]. Плечи излучателя выполнены в виде одинаковых преимущественно квадратной формы петель с периметром (0,7-1)λ_max, расположенных в одной плоскости зажимами навстречу друг другу. 3ажимы отдельной петли соединены с отстоящими на (0,01-0,05)λ_max противолежащими зажимами другой петли и образуют вход антенны. Симметричный излучатель и рефлектор расположены в компланарных плоскостях на расстоянии (0,08-0,12)λ_max. Полотно рефлектора имеет размеры (0,5•1)λ_max и выполняется, как правило, из металлической сетки, закрепленной на раме, либо в виде ряда металлических трубок, расположенных в одной плоскости на расстоянии 0,05λ_max. Прототип имеет КУ 8-10 дБ, однонаправленную диаграмму направленности с КЗД 15-20 дБ, и работает в полосе частот порядка октавы при КБВ в 75-омном тракте не менее 0,5.

Один из недостатков прототипа заключается в относительно больших размерах и металлоемкости полотна рефлектора, особенно для антенн, работающих в диапазоне 1-5 телевизионных каналов. Другой недостаток прототипа заключается в более узкой полосе рабочих частот по сравнению с антенной из [3], т.к. рефлектор ухудшает согласование антенны с фидером в нижней части рабочего диапазона.

Заявляемое изобретение направлено на создание широкополосной антенны с однонаправленной диаграммой направленности, уменьшенными габаритами и пониженной металлоемкостью.

В соответствии с поставленной задачей заявляемая широкополосная антенна, как и прототип, содержит симметричный излучатель и рефлектор. Плечи симметричного излучателя выполнены в виде одинаковых преимущественно квадратной формы петель с периметром (0,7-1)λ_max, расположенных в одной плоскости зажимами навстречу друг другу. 3ажимы отдельной петли соединены с отстоящими на (0,01-0,05)λ_max противолежащими зажимами другой петли и образуют вход антенны. Симметричный, излучатель и рефлектор антенны расположены в компланарных плоскостях на расстоянии (0,08-0,12)λ_max. Предлагаемая антенна отличается от прототипа тем, что рефлектор выполнен идентичным симметричному излучателю, при этом зажимы отдельной петли замкнуты и соединены с отстоящими на (0,01-0,05)λ_max замкнутыми зажимами другой петли, продольная ось симметрии рефлектора ортогональна продольной оси симметрии излучателя, а центры излучателя и рефлектора лежат на линии, перпендикулярной вышеуказанным компланарным плоскостям.

Отдельные петли симметричного излучателя и рефлектора могут быть выполнены не только в форме квадрата, но и в форме любого правильного многоугольника (в предельном случае - окружности). В этом случае обеспечиваются максимальная полоса рабочих частот антенны и минимальные массогабаритные характеристики.

Далее изобретение поясняется чертежом.

На чертеже показано конструктивное решение предлагаемой антенны в предпочтительном воплощении согласно заявляемому изобретению.

Предлагаемая широкополосная петлевая антенна содержит петли 1,2 и 3 и 4. Петли 1 и 2 расположены в одной плоскости зажимами навстречу друг другу. Зажимы 5,6 петли 1 соединены с противолежащими: зажимами 7,8 петли 2 и образуют зажимы 9,10 входа антенны. Петли 3 и 4 расположены зажимами навстречу друг другу в плоскости, компланарной плоскости расположения петель 1 и 2. Замкнутые зажимы 11, 12 петли 3 соединены с замкнутыми зажимами 13,14 петли 4. Продольная ось А-А симметричного излучателя ортогональна продольной оси Б-Б рефлектора, а центры излучателя и рефлекторы лежат на линии, перпендикулярной вышеуказанным компланарным плоскостям, отстоящим на (0,08-0,12)λ_max. друг от друга.

Периметр каждой из указанных петель равен 0,51 м, что составляет приближенно 0,7λ_max, если диапазон частот принимаемого сигнала составляет 400-1000 МГц. Петли выполнены из металлической полосы сечением 30 х 2 мм в форме окружности. Излучатель и рефлектор расположены в компланарных плоскостях, отстоящих на 70 мм друг от друга.

Предлагаемая широкополосная петлевая антенна работает следующим образом.

Известно [5] , что максимальной широкополосностью обладают антенны с минимальным запасом реактивной энергии в ближней зоне антенны. В ходе проведенных исследований нами было установлено, что совмещение ближних зон двух вибраторов, имеющих общий вход, но разноименные реактивные энергии (если в ближней зоне одного преобладает электрическая энергия, то в ближней зоне другого должна преобладать магнитная) позволяет существенно уменьшить запас реактивной энергии в ближней зоне такой комбинированной антенны и, тем самым, расширить ее полосу согласования, если запасы реактивных энергий того и другого вибраторов равны и имеют одинаковые частотные зависимости.

Рассмотрим вначале входящий в состав антенны симметричный излучатель. Его можно представить как комбинацию эквивалентных электрического и магнитного вибраторов. Четыре отрезка полотна излучателя, непосредственно прилегающие к зажимам питания, образуют эквивалентный симметричный электрический вибратор. Эквивалентный cимметричный магнитный вибратор образуют два витка тока, включающие пару возбуждаемых петель антенны.

Упомянутый выше эквивалентный магнитный вибратор является аналогом симметричного щелевого вибратора, ориентированного ортогонально плоскости антенны, и характеризуется тем, что на частотах между вторым и третьим резонансом (где периметр отдельной петли составляет (0,7-1,5)λ) его импеданс имеет индуктивный характер и запас магнитной энергии превышает запас электрической энергии. Упомянутый выше эквивалентный электрический вибратор характеризуется тем, что на указанных частотах его импеданс имеет емкостной характер; то есть в его ближней зоне преобладает запас электрической энергии.

Рассмотрим работу излучателя, в передающем режиме. На основании принципа взаимности, все нижесказанное в отношении принципа действия излучателя на примере передающего режима можно отнести и к приемному режиму. При подаче сигнала на вход излучателя одна часть сигнала возбуждает эквивалентный электрический вибратор, другая часть сигнала возбуждает одновременно упомянутый эквивалентный магнитный вибратор. Указанные выше размер и форма отдельных петель симметричного излучателя обеспечивает такое соотношение электрического и магнитного моментов токов в излучателе, при котором разность запасов электрической и магнитной энергий в ближней зоне излучателя близка к нулю на частотах выше нижней граничной частоты полосы пропускания. Это обеспечивает минимизацию реактивной составляющей импеданса антенны и уменьшает частотную зависимость вещественной составляющей.

Следует отметить, что отдельные петли симметричного излучателя могут быть выполнены не только в форме квадрата, как у прототипа, но и в форме любого другого правильного многоугольника (в предельном случае в форме окружности). В этом случае также в полном объеме достигается положительный эффект.

Поскольку рефлектор предлагаемой широкополосной антенны выполнен идентичным по форме и размерам симметричному излучателю антенны, отличаясь только короткозамкнутым входом, все вышесказанное в отношении импедансных характеристик излучателя относится также и к рефлектору.

Указанная выше взаимная ориентация излучателя и рефлектора приводит к дополнительному расширению полосы согласования предлагаемой антенны в сторону низких частот, поскольку эквивалентный симметричный электрический вибратор излучателя находится в ближней зоне эквивалентного симметричного магнитного вибратора рефлектора и наоборот. В этом случае происходит дополнительная минимизация реактивной энергии антенны в области низких частот.

Указанное выше взаимное расположение излучателя и рефлектора предлагаемой широкополосной антенны в компланарных плоскостях соосно на расстоянии (0,08-0,12)λ_max друг от друга обеспечивает формирование однонаправленной диаграммы направленности с КЗД, равным 15-20 дБ, и сохранение ее формы в полосе частот не менее октавы при КБВ в 75-омном тракте не менее 0,6.

Работоспособность и преимущества заявляемого изобретения по сравнению с прототипом были подтверждены испытаниями макета предлагаемой широкополосной антенны.

Макет антенны имеет КУ относительно полуволнового вибратора 8-10 дБ, КЗД не менее 15 дБ и КБВ в 75-омном коаксиальном тракте не менее 0,6 в полосе рабочих частот 400-1000 МГц. При сравнимых КУ и КЗД антенны-прототипа и предлагаемой антенны, последняя работает в 1,3 раза более широкой полосе рабочих частот, имеет в 1,5 раза меньшую металлоемкость, а также меньшие габариты и парусность.

Широкополосная антенна обеспечивает высококачественный прием телевизионных программ дециметрового диапазона, как в городе, имеющем передающий центр, так и в его пригороде на удалении до 40 км.

Источники информации
1. Беньковский 3., Липинский Э. Любительские антенны коротких и ультракоротких волн. Пер. с польск.\ Под ред., О.П.Фролова. - М.: Радио и связь, 1983. - 480 с. Стр. 346- 350.

2. Там же, стр. 351-352.

3. Харченко К. П. УКВ антенны. - М.: Изд-во ДОСААФ, 1968.- 112 с. Стр. 77-84
4. Там же, стр. 93-96.

5. Марков Г.Т. Антенны. - М.: Госэнергоиздат, 1960. - 536 с. Стр. 340-351.

Изобретение предназначено для применения в системах телевидения, радиосвязи и радиовещания в качестве самостоятельной антенны или элемента широкополосной фазированной антенной решетки. Техническим результатом является полоса пропускания не менее октавы, однонаправленная диаграмма направленности и улучшенные массогабаритные характеристики. Предлагаемая антенна содержит рефлектор и симметричный излучатель, плечи которого выполнены в виде одинаковых петель с периметром (0,7 - 1) максимальной рабочей длины волны, лежащих в одной плоскости зажимами навстречу друг другу, зажимы отдельной петли соединены с противолежащими зажимами другой петли и образуют вход антенны, причем рефлектор и излучатель размещены в компланарных плоскостях, рефлектор выполнен идентичным симметричному излучателю, при этом замкнутые зажимы отдельной петли соединены с замкнутыми зажимами другой петли, продольная ось рефлектора, проходящая через центры петель, образующих плечи рефлектора, ортогональна продольной оси симметричного излучателя, а центры излучателя и рефлектора лежат на линии, перпендикулярной вышеуказанным компланарным плоскостям. Отдельные петли симметричного излучателя и рефлектора могут быть выполнены в форме правильного многоугольника. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Широкополосная антенна, содержащая рефлектор и симметричный излучатель, плечи которого выполнены в виде одинаковых петель с периметром (0,7-1)λ_max, расположенных в одной плоскости зажимами навстречу друг другу, зажимы отдельной петли соединены с отстоящими на (0,01-0,05)λ_max противолежащими зажимами другой петли и образуют вход антенны, причем рефлектор и симметричный излучатель размещены в компланарных плоскостях, отстоящих на (0,08-0,12)λ_max друг от друга, отличающаяся тем, что рефлектор выполнен идентичным симметричному излучателю, при этом замкнутые зажимы отдельной петли соединены с отстоящими на (0,01-0,05)λ_max замкнутыми зажимами другой петли, продольная ось симметрии рефлектора ортогональна продольной оси симметрии симметричного излучателя, а центры излучателя и рефлектора лежат на линии, перпендикулярной вышеуказанным компланарным плоскостям, где λ_max - максимальная рабочая длина волны. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем отдельные петли симметричного излучателя и рефлектора выполнены в форме правильного многоугольника.