ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА С ПЕТЛЕВЫМИ ВИБРАТОРАМИ Российский патент 2003 года по МПК H01Q11/08 

Устройство относится к технике радиосвязи и может быть использовано в качестве широкодиапазонной антенны, например, для многоканального приема телевизионных сигналов и приема-передачи коротких импульсных сигналов.

Для увеличения количества каналов и дальности уверенного приема телевизионных радиосигналов используют антенные устройства, обладающие, наряду с высоким коэффициентом усиления, достаточно широким диапазоном рабочих частот. Большинство используемых антенн не могут обеспечить оба этих требования в достаточной степени. Например, директорные многовибраторные антенны /см. К. Харченко. УКВ антенны. М.: ДОСААФ, 1969, с.47/ обладают усилением в несколько десятков децибел, но при увеличении коэффициента усиления увеличиваются геометрические размеры устройства, что приводит к низкой ветровой устойчивости и искажениям принимаемого сигнала. Полоса пропускания директорной антенны не превышает 15% от средней частоты рабочего диапазона, что позволяет уверенно принимать только один-два соседних телевизионных канала.

Расширить частотный диапазон принимаемых радиосигналов можно, используя логопериодические антенны /см. авторское свидетельство СССР 273849, H 01 Q 11/08 (Диапазонная антенна с круговой поляризацией), патент США 5116490 A1, H 01 Q 1/38/.

Обеспечивая достаточно широкую полосу пропускания, логопериодические антенны имеют невысокий коэффициент усиления и относительно большие размеры, чем ограничивается зона уверенного приема и снижается ветровая устойчивость.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является логопериодическая антенна, описанная в книге Шпиндлера Э. Практические конструкции антенн. М.: Мир, 1989, с. 209, рис. 4.95, принятая за прототип.

Устройство-прототип содержит вибраторы и логопериодическую структуру, подключенную к фидеру со стороны наименьшего вибратора посредством использования двухпроводной линии. Указанная антенна содержит две трубки собирательной двухпроводной линии, к которым со стороны наименьшего вибратора перекрестно подключен коаксиальный кабель, проходящий внутри одной из трубок двухпроводной линии, причем, оплетка кабеля соединена с одной из трубок, а центральный провод - с другой трубкой.

Известно /см. книгу Овсяникова В.В. Вибраторные антенны с реактивными нагрузками. М.: Радио и связь, 1985, 120 с./, что петлевые вибраторы с емкостной нагрузкой имеют полосу пропускания в 1,5-2 раза больше, чем у разомкнутых вибраторов, которыми являются вибраторы логопериодических структур. При этом полудлина периметра петлевых вибраторов может соответствовать d= (0,2-0,3)/λ (λ - длина волны), т.е. достигается укорочение почти в 2 раза.

В книге Айзенберга Г. З. и др. Коротковолновые антенны. М.: Радио и связь, 1985, 536 с., предлагается для создания плоских вибраторов использовать принцип самодополнительности. Этот принцип характеризует свойства плоских бесконечно протяженных антенн, состоящий в том, что две структуры, выполненные из бесконечно тонких листов, будут самодополнительными, если одна из них может быть получена из другой заменой проводящей части плоскости на отверстие, и наоборот.

Недостатками устройства-прототипа являются относительно большие габариты, сложная конструкция перекрестного включения вибраторов, низкий коэффициент усиления, т.к. коэффициент усиления возрастает с увеличением числа вибраторов, но при этом сужается полоса рабочих частот.

Для устранения указанных недостатков в устройстве, содержащем петлевые вибраторы, образующие логопериодическую структуру, подсоединенные к трубкам собирательной двухпроводной линии, подключенной к кабелю фидера со стороны наименьшего вибратора, вибраторы выполнены самодополнительными с антирезонансными перемычками, подсоединенными к трубкам собирательной двухпроводной линии, причем, одна половина петлевого вибратора имеет гальваническую связь с первой трубкой собирательной двухпроводной линии, а другая половина этого вибратора соединена со второй трубкой собирательной двухпроводной линии с помощью емкостной связи через ферритовую втулку, одна половина соседнего вибратора имеет гальваническую связь со второй трубкой собирательной двухпроводной линии, а его другая половина соединена с помощью емкостной связи через ферритовую втулку с первой трубкой собирательной двухпроводной линии.

На фиг. 1 изображена предлагаемая антенна, где обозначено: 1 - петлевые вибраторы, образующие логопериодическую структуру; 2 - собирательная двухпроводная линия; 3 - точка подключения фидера, 4 - конус логопериодической структуры.

На фиг.2 изображен один петлевой вибратор 1 логопериодической структуры, где обозначено: 5 - внешнее металлическое кольцо; 6 - сектор подсоединения к двухпроводной линии 2; 7 - секторные стержни; 8 - антирезонансные перемычки; 9 - отверстия для подключения вибратора 1 к собирательной двухпроводной линии 2.

На фиг.3 показано подсоединение петлевого вибратора 1 к трубке собирательной двухпроводной линии 2, где обозначено: 10 - ферритовая втулка; 11 - коаксиальный кабель фидера; 12 - согласующий резистор.

Каждый двойной петлевой вибратор с емкостной нагрузкой образует зигзагообразную антенну, которая имеет двукратное перекрытие по частоте при коэффициенте усиления не менее 6 дБ.

Соединение нескольких зигзагообразных антенн в продольную логопериодическую структуру вместо известных синфазных решеток с размещением их на плоскости. В варианте трехвибраторной логопериодической антенны достигается шестикратная полоса пропускания и до 12 дБ усиление при вдвое меньших размерах вибраторов. Расширение полосы пропускания более (8-10)-кратного приводит к ухудшению диаграммы направленности вибраторов, что не позволяет получить дополнительное усиление.

Предлагаемая широкополосная антенна, состоящая из ряда петлевых вибраторов (фиг. 1), расположенных перпендикулярно собирательной двухпроводной линии 2, работает следующим образом.

Размеры вибраторов 1 подбираются таким образом, чтобы их характеристики были периодическими функциями логарифма частоты. Ограничение диапазона широкополосной антенны со стороны низких частот обусловлено возможностью увеличения габаритных размеров, а со стороны высоких частот - точностью выполнения конструкции вибраторов 1 наименьшего размера. Чем меньше угол конуса 4 и больше взято вибраторов 1, тем выше достигается стабильность параметров антенны и шире рабочая полоса частот. Вибраторы 1 возбуждаются с переменной фазой симметричной собирательной двухпроводной линией 2 постоянного волнового сопротивления ρ с помощью коаксиального кабеля фидера 11 (фиг.3), проложенного внутри первой трубки собирательной двухпроводной линии 2. Центральная жила коаксиального кабеля фидера 11 соединяется со второй трубкой собирательной двухпроводной линии 2 (фиг.3), что обеспечивает согласование несимметричного коаксиального кабеля фидера 11 с симметричной собирательной двухпроводной линией 2. Для обеспечения режима бегущей волны в антенне на другом конце симметричной собирательной двухпроводной линии 2 присоединен согласующий резистор 12 (фиг.3), т.е. антенна одновременно играет роль симметрирующего трансформатора. В пределах расчетного диапазона частот максимум излучения направлен в сторону меньших по размеру вибраторов 1, а токи на участке линии передачи за наибольшим элементом пренебрежимо малы. Следовательно, оконечная часть оказывает лишь незначительное влияние на характеристики антенны.

Принцип самодополнительности реализован в петлевых вибраторах 1. При этом петлевой вибратор 1 (фиг.2) выполнен из металлического кольца 5, разделенного на четыре сектора, позволяет расширить частотный диапазон антенны по сравнению с аналогом при одновременном улучшении ее согласования с питающим фидером.

Принцип самодополнительности, заключающийся в свойстве плоских бесконечно протяженных структур, выполненных из проводящих плоских структур произвольной формы, если одна из них может быть получена из другой заменой проводящей части плоскости на отверстия и наоборот. Например, они могут быть образованы делением плоскости на четыре равных сектора, два из которых являются проводящими. Форма секторов может быть произвольной, лишь бы при вращении на 90^o относительно центра вибратора 1 (фиг.1) каждый сектор совпадал бы с соседним /см. книгу "Сверхширокополосные антенны. М.: Мир, 1964, с. 222/. Полная реализация принципа самодополнительности при конструировании антенн практически невозможна, поскольку размеры любого вибратора конечны. Конечна также толщина листов, из которых эти вибраторы изготавливают. Нарушение принципа самодополнительности происходит также в точках питания антенны. Однако, как следует из экспериментальных данных, входные сопротивления антенн при конечных размерах металлической части вибраторов в широком диапазоне слабо отличаются от параметров бесконечных самодопольнительных структур. Для создания самодополнительных структур используют не только сплошные проводящие секторы, но и перемычки из тонких проводов, образующих плечо вибратора, являющиеся антирезонансными перемычками /см. книгу Айзенберга Г.З. и др. Коротковолновые антенны. М.: Радио и связь, 1985, с.187/.

При этом достигается снижение волнового сопротивления петлевых вибраторов 1 путем увеличения их поперечных размеров. Антирезонансные перемычки 8 и схема питания петлевых вибраторов 1, приведенная на фиг.3, обеспечивает расширение рабочей полосы антенны. Для обеспечения фазового сдвига приблизительно на 90^o применены втулки 10 из феррита, обеспечивающие емкостную связь одной половины вибратора 1 с двухпроводной линией. Учитывая, что диэлектрическая проницаемость феррита падает обратно пропорционально квадрату частоты сигнала, то это позволяет выравнивать частотную характеристику логопериодической антенны на краях полосы пропускания, обеспечивая тем самым дополнительное расширение полосы принимаемых частот антенны.

Изобретение относится к средствам связи и может быть использовано в качестве антенны, например, для приема телевизионных сигналов. Техническим результатом является увеличение рабочей полосы и коэффициента усиления, а также улучшение согласования с фидером и уменьшение габаритов. В антенне петлевые вибраторы выполнены самодополнительными с антирезонансными перемычками, подсоединенными к собирательной двухпроводной линии. При этом одна половина петлевого вибратора имеет гальваническую связь с первой трубкой собирательной двухпроводной линии, а другая половина этого вибратора соединена со второй трубкой собирательной двухпроводной линии с помощью емкостной связи через ферритовую втулку. Одна половина соседнего вибратора имеет гальваническую связь со второй трубкой собирательной двухпроводной линии, а его другая половина соединена с помощью емкостной связи через ферритовую втулку с первой трубкой собирательной двухпроводной линии. 3 ил.

Широкополосная антенна с петлевыми вибраторами, образующими логопериодическую структуру, подсоединенными к трубкам собирательной двухпроводной линии, подключенной к кабелю фидера со стороны наименьшего вибратора, отличающаяся тем, что петлевые вибраторы выполнены самодополнительными с антирезонансными перемычками, подсоединенными к собирательной двухпроводной линии, причем одна половина петлевого вибратора имеет гальваническую связь с первой трубкой собирательной двухпроводной линии, а другая половина этого вибратора соединена со второй трубкой собирательной двухпроводной линии с помощью емкостной связи через ферритовую втулку, одна половина соседнего вибратора имеет гальваническую связь со второй трубкой собирательной двухпроводной линии, а его другая половина соединена с помощью емкостной связи через ферритовую втулку с первой трубкой собирательной двухпроводной линии.