АКТИВНЫЙ АНТЕННЫЙ ТРЕУГОЛЬНО-ПЕТЛЕВОЙ ЭЛЕМЕНТ МИЛКИНА Российский патент 2015 года по МПК H01Q5/00 

Изобретение относится к устройствам антенной техники и может быть использовано в качестве самостоятельной антенны, а также в составе сложных антенных устройств для работы в КВ-, УКВ-, ДМВ-, СМВ-диапазонах.

Известен широкополосный симметричный шлейф-вибратор Пистолькорса в виде двух параллельно расположенных линейных проводников, лежащих в одной плоскости и имеющих объединенные концы (Антенны УКВ. Под. ред. Г.З. Айзенберга. В 2-х ч. 4.1. М.: «Связь», 1977, стр. 169, рис. 13.5). Параллельные проводники образуют симметричные полу-петли-плечи вибратора относительно оси симметрии, проходящей через середины линейных проводников. Сумма протяженности длин линейных проводников соизмерима с λ_раб, а протяженность плеч около 0,25λ_раб Узлом питания шлейф-вибратора являются точки окончания проводников в разрезе средней части одного из линейных проводников.

Недостатком классического петлевого вибратора является высокое входное сопротивление.

Известна трансформация петлевого вибратора в квадратную и другие формы рамок с периметром протяженностью λ_раб, с более низким входным сопротивлением и с более высоким по сравнению с шлейф-вибратором коэффициентом усиления (Григоров И.Н. Все об антеннах. - М.: ДКМ Пресс, 2009, стр. 66-69, рис. 2.1-2.4, табл. 2,1). Рамочные антенны обеспечивают двустороннюю направленность осевого излучения, перпендикулярную плоскости рамки, и повышенный коэффициент усиления из-за большей апертуры - «области захвата» пространства конструкцией полотна антенны.

Недостатком рамочных антенн является малая полоса пропускания.

Известны более сложные конструкции антенн в комбинации из однородных активных вибраторов, из которых повышенной эффективностью обладают конструкции зигзагообразных антенн из двух треугольных или ромбовидных рамок, имеющих объединенный узел питания и активные проводники плеч протяженностью по 0,25λ_раб (Сидоров И.Н. Идеальный телеприем в дачном доме, на садовом участке, далеко за городом: Справочник. - СПб., Лениздат, 1998, стр. 87-90, рис. 3.4; Харченко К.П. УКВ антенны. - М.: ИП РадиоСофт, 2009, стр. 79-95, рис. 51, 63). В отличие от обычных вибраторных антенных решеток, у которых число узлов питания равно числу вибраторов, входящих в решетку, особый пространственный разнос проводников полотна зигзагообразной антенны с питанием от одного объединенного узла питания, к которому непосредственно подключается фидер, образуют своеобразную плоскую синфазную решетку и особенное возбуждение токов в ее проводниках. Свойственное зигзагообразной антенне возбуждение токов в проводниках обеспечивает работу антенны с одним выраженным видом поляризации и расширенную полосу рабочих частот. Увеличенная апертура плоскостной фигурной антенны гарантирует высокий коэффициент усиления с двусторонней направленностью, перпендикулярной по ее оси плоскости рамок, а параллельное подключение их к питанию, с периметром каждой петлевой рамки по протяженности равной λ_раб, снижает входное сопротивление антенны до величин, соизмеримых с волновыми сопротивлениями используемых кабелей питания.

Недостатками известной комбинации проводников антенны являются увеличенные габаритные размеры конструкции полотна и необходимость использования еще более увеличенной площади рефлектора для обеспечения односторонней направленности, что сужает возможности ее использования, особенно в низкочастотной части метрового диапазона радиоволн и на более низких частотах.

Наиболее близким техническим решением является антенна осевого излучения - активный антенный элемент Орлова A.M. (Пат. РФ №59891, опубл. 27.12.2006). Прототип содержит установленные на одной общей оси не менее двух петлевых вибраторов параллельно своими плоскостями друг к другу и перпендикулярно направлению приема электромагнитных волн с уменьшением линейных размеров петлевых вибраторов в сторону источника радиосигнала. Соседние петлевые вибраторы соединены между собой чередующимися по противоположным сторонам широких сторон двухпроводными линиями связи. Антенна довольно проста по конструктивному исполнению и характеризуется пониженным уровнем внутренних шумов за счет исключения необходимости раздельного подключения петлевых вибраторов к питающему фидеру коаксиальным кабелем, влекущим дополнительное рассогласование по активным и реактивным сопротивлениям.

Недостатки прототипа заключаются в следующем. Количество петлевых вибраторов определяется количеством работающих телевизионных станций в зоне уверенного приема антенны и уровнем принимаемого сигнала, в пределе количество вибраторов в активном элементе может быть равно количеству каналов телевещания, что обуславливает громоздкость активного антенного элемента. Кроме того, активный антенный элемент имеет недостаточно широкий частотный диапазон использования, ограничиваемый конструктивными особенностями при работе в низкочастотной части метрового диапазона радиоволн и на более низких частотах, а также недостаточно высокий коэффициент усиления.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении компактности, увеличении частотного диапазона и коэффициента усиления активного антенного треугольно-петлевого элемента Милкина.

Для достижения технического результата в активном антенном треугольно-петлевом элементе Милкина, содержащем расположенные симметрично относительно общей оси петлевые вибраторы, установленные перпендикулярно направлению приема электромагнитных волн и соединенные между собой, петлевые вибраторы расположены в одной плоскости, один из них выполнен в форме равнобедренного треугольника с основанием 0,4λ_раб и боковыми сторонами 0,3λ_рaб., другой петлевой вибратор представляет собой шлейф-вибратор Пистолькорса из двух параллельных линейных проводников, один из которых неразрезной, другой разрезной в средней части с размещением в ней точек питания, в которых оба вибратора соединены между собой с перекрещиванием боковых сторон равнобедренного треугольного вибратора.

Отличительными признаками предлагаемого активного антенного треугольно-петлевого элемента Милкина от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, являются следующие:

- расположение разнородных вибраторов в одной плоскости,

- выполнение одного вибратора в форме равнобедренного треугольника с основанием 0,4λ_paб. и боковыми сторонами 0,3λ_раб,

- другой петлевой вибратор представляет собой шлейф-вибратор Пистолькорса,

- оба вибратора соединены между собой в общих точках питания с перекрещиванием боковых сторон равнобедренного треугольного вибратора,

- точки питания расположены в средней части разрезного проводника шлейф-вибратора Пистолькорса.

Благодаря наличию этих признаков достигается компактность за счет уменьшения числа вибраторов и расположения их в одной плоскости, увеличивается частотный диапазон за счет комплексного использования всех проводников двух вибраторов, увеличивается коэффициент усиления за счет дополнительного излучения проводников боковых сторон длиной 0,3λ_раб. При этом обеспечивается секторная направленность антенны при уменьшенной продольной протяженности, упрощается симметрирование и согласование с коаксиальным кабелем питания при комбинированном использовании разнородных вибраторов.

Техническое решение обеспечивается тем, что устройство антенны конструктивно реализовано в виде объединенных непосредственным подключением к питающей линии и друг к другу в точках включения узла питания двух неоднородных вибраторов, а именно: с расширенной полосой и широкополосного. Первый петлевой вибратор выполнен в форме равнобедренного треугольника с основанием протяженностью 0,4λ_раб и с боковыми сторонами протяженностью 0,3λ_раб. Второй вибратор представляет собой шлейф-вибратор Пистолькорса из двух параллельных линейных вибраторов, один из них неразрезной, другой - разрезной в средней части с размещением в ней общих точек питания. Петлевые вибраторы размещены в одной плоскости, а подключение к узлу питания проводников боковых сторон треугольного вибратора произведено с перекрещиванием проводников, то есть противофазно. Коаксиальный кабель питания при жесткой конструкции, например в трубчатом варианте проводников, прокладывается с вводом через точку нулевого потенциала, середину линейного неразрезного проводника шлейф-вибратора Пистолькорса. Выход кабеля в узел питания производится в разрезе при обеспечении электрического контакта оплетки кабеля с окончанием проводника плеча прокладки и электрического контакта центральной жилы с окончанием проводника противоположного плеча.

Универсальность использования активного антенного треугольно-петлевого элемента в широком диапазоне частот обусловливается преимущественным применением в проволочном виде в KB-диапазоне, жесткой конструкцией в УКВ-, ДМВ- диапазонах и с печатным исполнением в СМВ-диапазоне.

Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что оба вибратора антенной решетки принимают и передают свою энергию на общую нагрузку при непосредственном подключении друг к другу в точках питания без использования линий связи между ними. Это снижает внутренние шумы, исключает проблемы согласования активных и реактивных сопротивлений линий связи с вибраторами и потерю энергии.

Новизна в части устройства усматривается в том, что разнородные вибраторы имеют разные входные сопротивления, обеспечивающие общее входное сопротивление активного антенного треугольно-петлевого элемента при параллельном включении меньше меньшего. Отдельно, входные сопротивления у каждого из вибраторов, превышающие волновые сопротивления коаксиальных кабелей, при параллельном включении адаптируют общее сопротивление элемента к волновому сопротивлению кабеля питания, что упрощает его согласование с линией питания.

Новизна в части устройства усматривается в том, что разные входные сопротивления разнородных вибраторов при подключении к одному источнику питания создают разные токи проводимости в их проводниках, из-за чего в вибраторе с меньшим сопротивлением потечет увеличенный ток. С учетом влияния токов проводимости и токов от взаимно наведенных ЭДС, когда соединение производится с перекрещиванием проводников боковых сторон треугольного вибратора, обеспечивается увеличение суммарного тока в проводнике, размещенном со стороны направления приемо-передачи антенного элемента. Это в случае продольной антенной решетки повышает направленность системы в его сторону и сужение диаграммы направленности, делая вибратор размещенным сзади активным рефлектором. В случае прямого соединения проводников, в отличие от предлагаемого, не происходит увеличения суммарного тока за счет противофазных ЭДС с приближением его по величине, как в проводнике, размещенном со стороны направления приемо-передачи, так и в проводниках шлейф-вибратора, что влечет уменьшение коэффициента усиления и проявления двусторонней направленности.

Новизна в части устройства усматривается и в том, что увеличенный ток течет, кроме размещенного со стороны направления приемо-передачи антенного элемента, еще и в проводниках сторон, расположенных симметрично оси, но под углом к ней. Они также излучают в пространство электромагнитное поле, но с взаимной компенсацией встречных продольных составляющих от разных сторон и интегрирующихся в общее суммарное излучаемое электромагнитное поле односторонне направленных поперечных составляющих, обеспечивая повышение коэффициента усиления системы.

Новизна в части устройства усматривается в том, что с учетом рамочного характера равнобедренного треугольника, а также увеличенных токов первого петлевого вибратора со стороны направления приемо-передачи, диаграмма направленности вдоль его оси имеет больший угол раствора в плоскости, перпендикулярной плоскости полотна активного антенного треугольно-петлевого элемента, чем в плоскости полотна.

Новизна в части устройства усматривается в том, что соотношение сторон вибратора в форме равнобедренного треугольника с боковыми сторонами протяженностью 0,3λ_раб и основанием 0,4λ_раб, обеспечивает расположение этого активного вибратора от шлейф-вибратора Пистолькорса (т.е. активного рефлектора) на расстоянии около 0,2λ_раб.. Это в широком диапазоне частот оптимизирует коэффициенты направленного действия и бегущей волны.

Новизна в части устройства усматривается в том, что протяженность проводника основания треугольного вибратора, равная 0,4λ_раб, обеспечивает рост коэффициента усиления на частотах рабочего диапазона с увеличением в сторону более высоких частот, что обусловливается востребованным практикой применения в прикладной антенной технике.

Сочетание отличительных признаков и свойств как в заявленном устройстве из технической, научной литературы и патентной документации не выявлено, поэтому оно соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

Промышленная применимость заявленного технического решения усматривается в сравнительной простоте изготовления, тиражирования и эксплуатации, в высоких электрических показателях как в виде самостоятельной антенны, так и в составе сложных антенных устройств, возможности использования на промышленной основе и конкурентоспособном уровне.

Предлагаемый активный треугольно-петлевой элемент Милкина иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3.

На фиг. 1 представлен общий вид активного антенного треугольно-петлевого элемента, на фиг. 2 приведены диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях с основными параметрами при вертикальном размещении полотна антенны, на фиг. 3 приведены диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях с основными параметрами при горизонтальном размещении полотна антенны.

Активный антенный треугольно-петлевой элемент (фиг. 1) содержит петлевой вибратор 1 в форме равнобедренного треугольника и петлевой вибратор 2, представляющий собой шлейф-вибратор Пистолькорса. Вибраторы 1 и 2 расположены в одной плоскости относительно общей оси 3. Вибраторы 1, 2 расположены перпендикулярно направлению приемо-передачи электромагнитных волн. Первый петлевой вибратор 1 выполнен в форме равнобедренного треугольника с основанием 4 длиной 0,4λ_раб и боковыми сторонами 5 длиной 0,3λ_раб. Второй петлевой вибратор 2 представляет собой шлейф-вибратор Пистолькорса в виде двух параллельно расположенных линейных проводников 6, 7. Проводник 6 является неразрезным, проводник 7 разрезной в средней части. В разрезе линейного проводника 7 размещены точки питания a, b (включения) узла 8 питания. Петлевые вибраторы 1 и 2 соединены между собой с перекрещиванием боковых сторон 5 вибратора 1 в общих точках а и b питания узла 8 питания (т.е. объединены непосредственным подключением друг к другу в точках питания (включения) a и b).

Активный антенный треугольно-петлевой элемент Милкина работает следующим образом.

При подключении высокочастотного генератора (не показан) в точки питания a и b узла 8 питания по проводникам 4, 5 петлевого вибратора 1, равно как и по проводникам 6 и 7 петлевого вибратора 2 потекут токи с величинами, обратно пропорциональными сопротивлениям цепей. В проводнике 4 потечет увеличенный ток относительно проводников 6 и 7 из-за меньшего входного сопротивления рамочного вибратора 1, чем шлейф-вибратора 2. При этом из-за того, что в шлейф-вибраторе Пистолькорса 2 проводники 6 и 7 расположены в непосредственной близости друг к другу, а в равнобедренном треугольном вибраторе 1 проводник 4 подключен в середину петли между проводниками боковых перекрещенных сторон 5 с развязкой по протяженности длиной 0,3λ_раб до и после включения проводника 4, то токи в проводниках 6 и 7 будут в сравнении с током в проводнике 4 односторонними с разницей по фазе относительно проводника 4, соизмеримой с 0,3λ_раб. С учетом того, что проводники шлеф-вибратора 6 и 7 разнесены в пространстве на расстояние, соизмеримое с 0,2λ_раб от проводника 4, на высоту равнобедренного треугольника и параллельны, то образованная пространственная система антенной решетки излучающих проводников создает направленное излучение электромагнитного поля по оси 3, перпендикулярной расположению этих проводников. Дополнительно к этому, увеличенные токи в проводниках 5, расположенных симметрично, но под углом к этой оси, также излучают в пространство электромагнитное поле, но с взаимной компенсацией встречных продольных составляющих и интегрирующихся в общее суммарное излучаемое электромагнитное поле односторонне направленных поперечных составляющих, от разных сторон. Таким образом, в отличие от излучающих систем с соединительными линиями, вносящими рассогласование и затухание, в предложенном техническом решении все проводники участвуют в излучении электромагнитного поля, обеспечивая суммарное повышение коэффициента направленного действия системы. В свою очередь, система из двух активных вибраторов разной длины, участвующих в излучении электромагнитного поля, обеспечивает расширение рабочей полосы частот. Кроме этого, ввиду того, что апертуры в плоскости расположения проводников и в плоскости, перпендикулярной ей, разные, то и углы раствора диаграммы направленности в плоскости их расположения и в плоскости, перпендикулярной ей, будут различными.

Доводы по работе технического решения по изобретению подтверждают результаты компьютерного моделирования (фиг.2, 3). Активный антенный треугольно-петлевой элемент с размерами по продольной протяженности, равной 0,2λ_раб, обладает секторной направленностью с разными углами раствора диаграммы направленности в плоскости расположения проводников вибраторов и в плоскости, перпендикулярной ей, с увеличенным коэффициентом усиления, равным 6,4 dB, что выше суммы отдельно взятых вибраторов. Отношение F/B прямого излучения к обратному равно 14 dB, что характеризует помехозащищенность, соответствующую 6- - 8-элементным антеннам Уда-Яги, в 3 раза большей продольной протяженностью. Рабочая полоса частот предлагаемого изобретения в 1.5 раза шире, чем у прототипа. В отличие от прототипа, у предлагаемого технического решения точки нулевого потенциала обоих вибраторов могут быть соединены проводником без изменения работы устройства, то есть иметь металлическую несущую траверсу, обеспечивающую повышенную защиту от статического электричества и грозозащиту, надежность и упрощение эксплуатации.

Использование: в качестве устройства антенной техники. Сущность изобретения заключается в том, что активный антенный треугольно-петлевой элемент Милкина содержит расположенные симметрично относительно общей оси петлевые вибраторы, установленные перпендикулярно направлению приема электромагнитных волн и соединенные между собой, при этом петлевые вибраторы расположены в одной плоскости, один из них выполнен в форме равнобедренного треугольника с основанием 0,4λ_раб и боковыми сторонами 0,3λ_раб, другой петлевой вибратор представляет собой шлейф-вибратор Пистолькорса из двух параллельных линейных проводников, один из которых неразрезной, другой разрезной в средней части с размещением в ней точек питания, в которых оба вибратора соединены между собой с перекрещиванием боковых сторон равнобедренного треугольного вибратора. Технический результат: повышение компактности, увеличение частотного диапазона и коэффициента усиления. 3 ил.

Активный антенный треугольно-петлевой элемент Милкина, содержащий расположенные симметрично относительно общей оси петлевые вибраторы, установленные перпендикулярно направлению приема электромагнитных волн и соединенные между собой, отличающийся тем, что петлевые вибраторы расположены в одной плоскости, один из них выполнен в форме равнобедренного треугольника с основанием 0,4λ_раб и боковыми сторонами 0,3λ_раб, другой петлевой вибратор представляет собой шлейф-вибратор Пистолькорса из двух параллельных линейных проводников, один из которых неразрезной, другой разрезной в средней части с размещением в ней точек питания, в которых оба вибратора соединены между собой с перекрещиванием боковых сторон равнобедренного треугольного вибратора.