Антена дводіапазонна

Реферат: Антена дводіапазонна належить до радіотехніки і може бути використана як антена радіотехнічних пристроїв різного призначення, зокрема як багатоканальна телевізійна антена направленої дії. Антена дводіапазонна складається з двох широкосмугових вібраторів, розташованих на відстані одної восьмої робочої довжини хвилі один від одного, які з'єднані фідерною лінією, при цьому перший вібратор є рефлектором, а другий директором, до якого приєднаний коаксіальний живильний кабель. Для формування двох смуг пропускання, однієї в метровому, а другої у дециметровому діапазонах хвиль, вібратори виконані комбінованими і містять подовжувальні котушки в об'ємному та планарному виконанні. Технічним результатом є зменшення розмірів антени, розширення смуги її пропускання та покращення сполучення з коаксіальним кабелем. UA 112505 C2 (12) UA 112505 C2 UA 112505 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується радіотехніки і може бути використаний як антена радіотехнічних пристроїв різного призначення, зокрема як багатоканальна телевізійна антена направленої дії. Відомі багатовібраторні телевізійні антени направленої дії [1], антени Хвильовий канал, що містять один активний випромінюючий елемент і декілька пасивних. Спрямована дія таких антен забезпечена кількістю пасивних випромінюючих (елементів) та їх відносною електричною довжиною, - співвідношенню геометричної довжини антени до довжини хвилі робочого діапазону частот. Маючи можливість отримання значного коефіцієнта підсилення та забезпечуючи значну спрямованість, антени Хвильовий канал мають недоліки. До них належать: Незначна полоса пропускання, що заважає їх роботі на декількох телевізійних каналах; Для підключення антени до коаксіального фідера потрібен симетруючий пристрій, який звужує смугу пропускання антени та ускладнює її конструкцію. Відомий також пристрій - Антена широкосмугова [2]. Антена широкосмугова, дозволяє приймати принаймні всі канали цифрового телебачення Т2 формату на одну антену. Але антена не має спрямованості у Я-площині поляризації, що обумовлює її малий коефіцієнт підсилення та незначну спрямованість. Найбільш близьким з технічної суті і результату, що досягається, до пропонованого технічного рішення є антена, яка описана у книзі [3]. Антена включає два шлейф-вібратори довжиною у половину хвилі, розташованих на відстані одної восьмої робочої довжини хвилі один від одного, при цьому перший вібратор є рефлектором, а другий директором, до котрого приєднаний живлячий кабель, які з'єднані паралельно перехрещеною фідерною лінією прототип. Основними недоліками прототипу є незначна смуга пропускання, значні розміри антени у поперечному напрямі, обумовлені напівхвильовою довжиною кожного шлейфвібратора, та необхідність застосування пристрою, що симетрує, для сполучення з коаксіальним кабелем. Це ускладнює конструкцію та зменшує смугу пропускання антени. Технічною задачею винаходу є зменшення розмірів антени, розширення смуги її пропускання та покращення сполучення з коаксіальним кабелем. Для вирішення поставленої задачі в Антені дводіапазонній, що включає два вібратори, розташованих на відстані одної восьмої робочої довжини хвилі один від одного, які з'єднані фідерною лінією, при цьому перший вібратор є рефлектором, а другий директором до котрого приєднаний коаксіальний живлячий кабель, згідно з винаходом, як рефлектор та директор застосовані послідовно з'єднані вкорочені широкосмугові вібратори, при цьому рефлектор виготовлений симетричним і включає в кожному плечі навантажений на ємність, що укорочує, активний вібратор, виготовлений з двох металевих пластин, між якими попарно включені одновиткові подовжувальні котушки, розташовані перпендикулярно до поверхні пластин і зміщені в кожній парі, одна в напрямку ємності що укорочує, а друга в напрямку фідерної лінії, при цьому між фідерною лінією та металевою пластиною додатково включений елемент, що подовжує, в планарному виконанні, який складається з паралельно розташованих одновиткових котушок виконаних в одній площині, а директор виконаний несиметричним і складається з активного вібратора, виконаного аналогічно вібраторам рефлектора та металевої противаги у вигляді меандру, при цьому центральний провідник живлячого коаксіального кабелю приєднаний до вібратора директора, а його зовнішній провідник приєднаний до фідерної лінії, яка з'єднує послідовно рефлектор та директор. Використання двох типів подовжувальних котушок, у об'ємному та планарному виконанні, і противаги у вигляді меандру дозволило розширити смугу пропускання антени до ширини діапазону цифрового телебачення Т2 формату, забезпечивши дві смуги пропускання, одну у метровому, а другу у дециметровому діапазонах хвиль. При цьому несиметрична конструкція директора дала змогу приєднати антену до коаксіального кабелю без симетруючого пристрою, а послідовне з'єднання рефлектора та директора дозволило збільшити вхідний опір антени і використати як випромінювачі поодинокі вібратори, замість шлейф-вібраторів у прототипі, що значно спростило конструкцію антени. Приєднання живлячого кабелю до внутрішньої частини директора дозволило покращити фазову характеристику сполучення рефлектора та директора, що сприяло підвищенню коефіцієнта підсилення та спрямованості антени. Суть винаходу пояснюється кресленнями. Фіг. 1. Зовнішній вигляд рефлектора антени дводіапазонної. Фіг. 2. Зовнішній вигляд директора антени дводіапазонної. Фіг. 3. Схема з'єднань антени дводіапазонної. Фіг.4. Зовнішній вигляд антени дводіапазонної. На фіг. 1 показаний зовнішній вигляд рефлектора антени дводіапазонної. Рефлектор включає два активних вібратори 1, навантажених на ємність, що укорочує, 2, які містять 1 UA 112505 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 розведені у протилежні боки об'ємні витки подовжувальних котушок нижнього діапазону частот 3 та подовжувальні одновиткові котушки верхнього діапазону частот 4, виконані в одній площині. Зовнішній вигляд директора антени дводіапазонної показаний на фіг. 2. Директор складається з активного вібратора 1, виконаного аналогічно активному вібратору рефлектора та з противаги 5, зігнутої у вигляді меандру. Схему з'єднання вібраторів антени дводіапазонної показано на фіг. 3а. Перший провідник з'єднуючої фідерної лінії 6 з'єднує праву половину рефлектора, (що є активним вібратором 1), з противагою директора 5 (фіг. 2), тоді як її другий провідник з'єднує ліву половину рефлектора, (що є активним вібратором 1) з зовнішнім провідником живлячої фідерної лінії 7, внутрішній провідник якої приєднаний до активного вібратора 1 директора (як живляча фідерна лінія може бути застосований стандартний коаксіальний кабель з хвильовим опором 50 Ом). На фіг. 3а також показаний розподіл струмів у директорі ід та рефлекторі ір. На фіг. 3б представлені вхідні опори директора (Rd), рефлектора (Rp) та хвильові опори живлячої та з'єднуючої фідерних ліній при використанні як живлячої фідерної лінії коаксіального кабелю з хвильовим опором 50 Ом. Імпеданси директора (Rd), рефлектора (Rp) та хвильовий опір з'єднуючої лінії, що складають по 25 Ом, сполучені з хвильовим опором живлячої фідерної лінії 50 Ом. Сума їх опорів, при послідовному з'єднані, складає 50 Ом і має гарне сполучення з хвильовим опором живлячого коаксіального кабелю, що також дорівнює 50 Ом. Зображена на фіг.4 антена дводіапазонна включає широкосмуговий симетричний рефлектор та несиметричний директор, з'єднані послідовно з'єднуючою фідерною лінією 6. При цьому перший провідник з'єднуючої фідерної лінії з'єднує праву половину рефлектора (що є активним вібратором 1) з противагою 5 директора, тоді як її другий провідник з'єднує ліву половину рефлектора (що є також активним вібратором 1) з зовнішнім провідником живлячої фідерної лінії 7, внутрішній провідник якої приєднаний до активного вібратора 1 директора. Розміри вібраторів антени вибрані таким чином, що рефлектор має індуктивний опір, а директор ємнісний. Відстань між середніми лініями вздовж рефлектора та директора вибрана рівною одній восьмій довжини хвилі у середній частині робочого діапазону частот. Працює антена дводіапазонна наступним чином. Електрична енергія, що надходить із коаксіального кабелю 7 (фіг.3), збуджує електричні коливання у директорі та через з'єднуючу фідерну лінію 6 у рефлекторі. Випромінювання антени у бік директора формується за рахунок фазового зсуву коливань у директорі та рефлекторі. Відомо [3], що діаграма спрямованості у вигляді кардіоїди може бути сформована, якщо відстань між вібраторами дорівнюватиме чверті довжини робочої хвилі, а зсув фаз між коливаннями у вібраторах дорівнюватиме 90°. Подібне явище спостерігається і коли відстань між вібраторами дорівнює одній восьмій довжини хвилі у нижній частині робочого діапазону, а фазовий зсув між коливаннями є 135°. У прототипі потрібний фазовий зсув досягався перехрещенням провідників фідерної лінії. У запропонованій антені це забезпечується послідовним живленням директора та рефлектора. Послідовне живлення вібраторів дозволяє також поліпшити узгодження імпедансу антени з хвильовим опором коаксіального кабелю, особливо при малих розмірах вібраторів. При зменшенні електричної довжини вібраторів їх опір випромінювання та імпеданс зменшуються згідно з формулою: 2 l R   80 2   ,  45 50 55 де, R  - опір випромінювання, що складає більшу частину вхідного опору антени,  - число Пі, l - довжина випромінювача антени (директора або рефлектора),  - довжина робочої хвилі антени. Таким чином, при значному скороченні розмірів антени її вхідний опір стає значно меншим за хвильовий опір живлячого фідера. Незначна відстань між директором та рефлектором також призводить до зниження вхідного опору антени за рахунок їх взаємного шунтування. Для збільшення вхідного опору до потрібного значення в Антені дводіапазонній використане послідовне з'єднання директора та рефлектора. Таким чином їх імпеданси додаються, що збільшує загальний імпеданс антени та покращує її сполучення з хвильовим опором живлячого коаксіального фідера при малих геометричних розмірах антени. Для отримання однобічної спрямованості антени та зменшення її бічного та зворотного випромінювання необхідно забезпечити потрібний фазовий зсув між електричними коливаннями у директорі та рефлекторі. Для цього потрібно вирівняти запізнення фаз електромагнітних хвиль, що приходять від директора до рефлектора по вільному простору та фаз електричних коливань, що приходять від директора до рефлектора по фідерній лінії. Ці 2 UA 112505 C2 5 10 15 запізнення будуть різними, оскільки швидкість розповсюдження електричної енергії у фідерній лінії, що з'єднує директор з рефлектором, буде меншою, ніж у вільному просторі за рахунок уповільнюючої дії діелектрика у складі лінії. Вирішити це протиріччя можливо за рахунок збільшення ширини вібраторів та приєднання з'єднуючої фідерної лінії і живлячого коаксіального фідеру до внутрішніх сторін директора та рефлектора. У прототипі, як і у вібраторних антенах інших типів, довжина вібраторів вибирається близькою до  / 2 при відстані між ними  / 8 . Реалізація запропонованого винаходу дозволяє втричі зменшити довжину вібраторів при значному (до 10 разів) розширенні смуги пропускання антени. Крім того, узгодження фазових зсувів електричних коливань у вібраторах та у фідері дозволило покращити діаграму спрямованості антени дводіапазонної та сприяло зниженню рівня бічного і зворотного випромінювання, що підвищило завадозахищеність антени. Це сприяє покращенню електричних, масо-габаритних та експлуатаційних показників антени дводіапазонної і дає значний техніко-економічний та соціальний ефекти при її впроваджені. Джерела інформації: 1. Борийчук Г.И., Булич В.И. - Радиолюбителю о телевизионных антеннах. М., ДОСААФ, 1977. - стр.293. 2. Патент України № 68831, кл. H01Q. 7/08 опубл. 06.11.2003. 3. Ротхаммель К. - Антенны: Пер. С нем. 1-ое полное издание, С-Пб.: Издательство "БОЯНЫЧ", 1998, стор. 224. 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 Антена дводіапазонна, що містить два вібратори, розташовані на відстані одної восьмої робочої довжини хвилі один від одного, які з'єднані фідерною лінією, при цьому перший вібратор є рефлектором, а другий - директором, до якого приєднаний коаксіальний живильний кабель, яка відрізняється тим, що як рефлектор та директор застосовані послідовно з'єднані вкорочені широкосмугові вібратори, при цьому рефлектор виконаний симетричним і включає в кожному плечі навантажений на ємність, що укорочує, активний вібратор, виконаний у вигляді двох металевих пластин, між якими попарно включені одновиткові подовжувальні котушки, розташовані перпендикулярно до поверхні пластин і зміщені в кожній парі, одна в напрямку ємності, що укорочує, а друга в напрямку фідерної лінії, при цьому між фідерною лінією та металевою пластиною додатково включений планарний елемент, що подовжує, який складається з паралельно розташованих одновиткових котушок, виконаних в одній площині, а директор виконаний несиметричним і складається з активного вібратора, виконаного аналогічно вібраторам рефлектора, та металевої противаги у вигляді меандру, при цьому центральний провідник живильного коаксіального кабелю приєднаний до активного вібратора директора, а його зовнішній провідник приєднаний до фідерної лінії, яка з'єднує послідовно рефлектор та директор. 3 UA 112505 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4