Широкосмугова резонансна антена “ластівка”

Реферат: Широкосмугова резонансна антена належить до радіотехніки та може бути використана, у першу чергу, як антена для цифрового ефірного телебачення стандартів DVB-T2, DVB-T та цифрових систем радіозв'язку, а також як ректена, антена для прямого перетворення енергії оптичного випромінювання в електричну, тощо. Створення широкосмугової резонансної антени на основі півхвильового прямого розрізного вібратора за рахунок виконання її таким чином, що активні елементи півхвильового розрізного вібратора виконані у формі двох однакових нерівносторонніх трикутників із тонкого електропровідного матеріалу, розміщених на площині між собою дзеркально, а активні елементи півхвильового розрізного вібратора зорієнтовані між собою та на джерело випромінювання з можливістю оптимального прийому сигналів у всьому робочому діапазоні частот антени. Технічний результат полягає у тому, що в усьому робочому діапазоні частот в антені півхвильові розрізні вібратори для будь-якої несучої частоти сигналу та смуги її модульованих частот настроюються автоматично в резонанс без зовнішнього регулювання параметрів такої антени, та зменшення розмірів і парусності при збільшенні ефективності роботи за рахунок узгодженості елементів антенної системи та навантаження без введення додаткових узгоджуючих пристроїв. UA 106550 C2 (12) UA 106550 C2 UA 106550 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області прийому та перетворення електромагнітного випромінювання та може бути використаний, у першу чергу, як антена для цифрового ефірного телебачення стандартів DVB-T2, DVB-T та цифрових систем радіозв'язку, а також як антена, антена для прямого перетворення енергії оптичного випромінювання в електричну енергію, тощо. Відомо, для того, щоб максимум потужності сигналу, прийнятого антеною, був направлений у фідер і надійшов далі на вхід, наприклад, телевізійного приймача, антена повинна бути узгоджена з фідером телевізора. Для такого узгодження вхідний опір антени повинен бути рівним хвильовому опору кабелю, з якого виконаний фідер, а хвильовий опір фідера повинен бути рівним вхідному опору телевізора [1]. Завдяки тому, що більшість телевізорів, цифрових ефірних приймачів [2] мають вхідний опір 75 Ом при використанні як фідера коаксіального кабелю з хвильовим опором 75 Ом забезпечується повне узгодження фідера з телевізором без застосування будь-яких додаткових пристроїв. Вхідний опір більшості антен величина не постійна, а залежить від частоти сигналу. Антена може бути настроєна в резонанс на частоту сигналу, при цьому вхідний опір антени буде чисто активним. Настройка антени на частоту сигналу залежить від конструкції її елементів, їх розмірів і взаємного розташування [1]. Відомо, що всі типи антен фактично є різними модифікаціями півхвильового вібратора, або є різними комбінаціями таких вібраторів [3]. При цьому перевагою антени у формі прямого півхвильового розрізного вібратора є її простота. Вхідний опір такої антени в резонансному режимі близький до 75 Ом. Антена має широку діаграму направленості. При цьому така антена з метою спрощення може бути безпосередньо підключена до стандартного коаксіального кабелю з хвильовим опором 75 Ом без застосування симетруючого пристрою з незначним погіршенням якості роботи такої антенної системи [4, С. 81]. Недоліком даної антени є вузька смуга частот, в якій вона працює в резонансному режимі. Відома, також, широкосмугова антена-диполь у вигляді двох симетричних трикутних провідних поверхонь-монополів, що розходяться. Антена відома під назвою "Бабочка" (в англійській термінології "bow-tie"). Антена працездатна щонайменше у трикратному перекритті частот [5]. Недоліком такої антени з самодоповнюючими структурами, введеними в 1946 р. англійцем Буклером, є підвищене значення її вхідного опору, що становить близько 200 Ом [4, С. 40, 41]. Це потребує додаткових узгоджуючих пристроїв для її підключення до стандартного коаксіального кабелю з хвильовим опором 75 Ом. При безпосередньому підключенні такого кабелю до цієї антени знижується ефективність даної антенної системи в діапазоні робочих частот із-за неузгодженості вхідного опору антени та хвильового опору кабелю. Антена характеризується підвищеною парусністю. Найбільш близькою по принципу дії до запропонованої цим винаходом є "Всехвильова антена з кабельною лінією передачі" [6, С. 58, 59]. В цій антені для кожного діапазону використовується окремий півхвильовий вібратор виконаний із відрізків провідників, які закріплені на ізоляторах. Перевагою даної антени є те, що півхвильові вібратори із відрізків провідників працюють у режимі, близькому до резонансного, в кожному діапазоні частот, а живлення для всіх діапазонів ведеться по одному і тому ж коаксіальному кабелю довільної довжини. Недоліком такої антени є те, що для використання її для прийому сигналів у широкому діапазоні частот, наприклад цифрового ефірного телебачення стандарту DVB-T2 з числом каналів 32 і більше, конструкція антени значно ускладнюється за рахунок необхідності збільшення кількості окремих півхвильових вібраторів із відрізків провідників та високоточного виконання їх розмірів. В резонансному режимі будуть працювати канали четверть довжини хвилі яких, близькі до розмірів активних елементів півхвильових вібраторів. При цьому неможливо забезпечити роботу антени у режимі, близькому до резонансного, для усіх несучих частот сигналу та смуги їх модульованих частот. При зміні температур частково змінюються розміри і, відповідно, характеристики антени. Суть винаходу - створення широкосмугової резонансної антени на основі півхвильового прямого розрізного вібратора за рахунок виконання її таким чином, що активні елементи півхвильового розрізного вібратора виконані у формі двох однакових нерівносторонніх трикутників із тонкого електропровідного матеріалу, розміщених на площині між собою дзеркально відносно осі, при цьому ближні до осі кути трикутників  обмежені двома сторонами, одна з яких становить 0,95  k  (min / 4  d / 2) , друга - min / 4 , де min і max мінімальна та максимальна довжини хвиль, на які розрахована антена, k - коефіцієнт її 1 UA 106550 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 укорочення, а кути  між ними знаходяться у проміжку: 0    180  , переважно 0    45  , причому вершини трикутних активних елементів вібратора із кутами  при цих вершинах розташовані між собою на оптимальній відстані d , а активні елементи півхвильового розрізного вібратора зорієнтовані між собою та на джерело випромінювання з можливістю оптимального прийому сигналів у всьому робочому діапазоні частот антени, при цьому сигнали з широкосмугової резонансної антени знімаються фідером з вершин трикутних активних елементів вібратора із кутами  при цих вершинах. Приклад виконання широкосмугової резонансної антени для прийому цифрового ефірного телебачення стандарту DVB-T2 наведений на кресленні. Широкосмугова резонансна антена (див. кресл.) складається із двох активних елементів півхвильового розрізного вібратора, виконаних із тонкого електропровідного матеріалу, наприклад тонкої мідної фольги на печатній платі, у формі двох однакових нерівносторонніх трикутників 1 і 2, розташованих між собою дзеркально відносно осі F  F1 . Нерівносторонні трикутники 1 і 2 створені сторонами довжиною а, b, с і a 1, b1, c1 відповідно. Ближні до осі F  F1 кути а трикутників 1 і 2 рівні між собою і обмежені двома сторонами: а і b та а1 і b1 відповідно. Довжини сторін трикутників 1 і 2 становлять: a  a1  0,95  k  (min / 4  d / 2) , сторін b  b1  max / 4 , де min і max - мінімальна та максимальна довжини хвиль, на які розрахована антена, k - коефіцієнт її укорочення, а кути  між ними знаходяться у проміжку: 0    180  , переважно 0    45  . Вершини трикутних активних елементів вібратора із кутами  при цих вершинах розташовані між собою на оптимальній відстані d для робочого діапазону частот. Сигнали з виходу широкосмугової резонансної антени знімаються фідером 3, який являє собою коаксіальний кабель з хвильовим опором 75 Ом, з вершин трикутних активних елементів вібратора із кутами  при цих вершинах - точки O  O1 . Фідер 3 на виході підключений до антенного входу телевізора з вхідним опором 75 Ом (на кресл. не показано). Із основ радіотехніки відомо, що для оптимального прийому сигналів у всьому робочому діапазоні частот півхвильовим розрізним вібратором його активні елементи необхідно орієнтувати перпендикулярно до напрямку передатчика сигналу. При цьому для телевізійної антени її вісь F  F1 буде, як правило, вертикальною відносно землі, а антена орієнтується площиною в якій вона розташована на телецентр. При орієнтації горизонтальної осі телевізійної антени (на кресл. не показана) як бісектриси кутів  трикутників 1 і 2 горизонтально поверхні землі для півхвильового розрізного вібратора максимальний рівень сигналу у всьому робочому діапазоні частот антени буде прийматись антеною переважно при 0    45  , так як форма і характеристики таких півхвильових вібраторів при прийомі сигналів з мінімальною та максимальною довжиною хвиль, на які розрахована антена min і max , будуть незначно відрізнятись від форми і характеристик прямого півхвильового розрізного вібратора (активні елементи вібратора a і a1 і та b і b1 при прийомі сигналів з довжиною хвиль min і max будуть повернуті в площині антени відносно горизонтальної осі максимально на кути  / 2  22,5  ). Для діапазону дециметрових хвиль оптимальним є розташування активних елементів півхвильового розрізного вібратора між собою на відстані d  10 мм. Антена розташована високо над землею. Антені дана назва "ЛАСТІВКА", так як по зовнішньому вигляду вона асоціюється з розкритими довгими гострими крилами ластівки (Див. кресл.). Широкосмугова резонансна антена працює наступним чином. При виборі на селекторі телевізійних каналів телевізора каналу, довжина хвилі несучого сигналу якого становить min , селектор телевізійних каналів настроює відповідний смуговий фільтр для обробки сигналів стандартної смуги частот з частотою несучого сигналу fmax ~ 1/ min . При цьому в антені, на поверхні електропровідних активних елементів півхвильового розрізного вібратора, виконаних у формі двох однакових нерівносторонніх трикутників 1 і 2, за рахунок передачі телевізійною станцією сигналу з частотою fmax , збуджуються електропровідні ділянки у формі півхвильового розрізного вібратора, геометрична довжина яких у кожному активному елементі близька до значення четверті довжини хвилі min / 4 . 2 UA 106550 C2 5 10 Відомо, що особливо на кінцях антени виникає ємнісний струм, що еквівалентно збільшенню електричної довжини антени. Тому дійсна геометрична довжина півхвильового вібратора повинна бути дещо зменшена по відношенню до електричної довжини. В дійсності коефіцієнт укорочення антени трудно визначити точно, так як на нього впливають висота підвісу антени, близько розміщені предмети (будинки, дерева) тощо. Крім того, починаючи з ультракороткохвильового (УКХ) діапазону частот і вище коефіцієнт укорочення k залежить від співвідношення довжини хвилі  до діаметра провідника вібратора h : k   / h . Для цих діапазонів частот на практиці рекомендовано в розрахунках довжини півхвильового розрізного вібратора приймати k  0,94 [6, С. 11, 12]. Виходячи з цього, у нашому випадку геометричні розміри сторін a і a1 нерівносторонніх трикутників 1 і 2, для забезпечення якісної обробки сигналу з частотою fmax , дещо зменшені, і вибрані як a  a1  0,95  k  (min / 4  d / 2) . При прийомі сигналу з несучою частотою fmax 15 20 25 30 35 40 45 50 збуджуються електропровідні ділянки O  D і O1  D1 всередині трикутників 1 і 2 активних елементів вібратора відповідно у формі півхвильового розрізного вібратора. Геометричні розміри p такого уявного півхвильового розрізного вібратора для цієї частоти сигналу становлять: p  k  min / 2 . При цьому виконується співвідношення p  a  a1  d і антена приймає сигнали дециметрового діапазону з частотою fmax в резонансному режимі, має вхідний опір як для півхвильового розрізного вібратора близький до 75 Ом (електропровідні ділянки активних елементів такого півхвильового розрізного вібратора збуджуються на його поверхні в режимі скін-ефекту і уявний діаметр такого провідника h вібратора можна вважати нескінченно тонким,  / h   ). При виборі на селекторі телевізійних каналів телевізора каналу, довжина хвилі несучого сигналу якого становить fmax , селектор телевізійних каналів настроює відповідний смуговий фільтр для обробки сигналів стандартної смуги частот з частотою несучого сигналу fmin ~ 1/ max . Геометричні розміри сторін b і b1 нерівносторонніх трикутників 1 і 2, для забезпечення якісної обробки сигналу з частотою fmin , дещо збільшені, і вибрані як b  b1  max / 4 . При цьому в антені на поверхні активних елементів вібратора збуджуються електропровідні ділянки O  H і O1  H1 всередині трикутників 1 і 2 відповідно, в режимі скін-ефекту, у формі уявного півхвильового розрізного вібратора. Геометричні розміри s такого уявного півхвильового розрізного вібратора для цієї частоти сигналу становлять: s  k  max / 2 . При цьому виконується співвідношення: s  b  b1  d . Антена приймає сигнали з частотою fmin в резонансному режимі і має вхідний опір як для півхвильового розрізного вібратора близький до 75 Ом. Той же процес відбувається і при прийомі будь якого іншого сигналу з несучою частотою fm ~ 1/ m в діапазоні робочих частот антени, де при цьому на поверхні активних елементів вібратора збуджуються електропровідні ділянки O  M і O1  M1 всередині трикутників 1 і 2 відповідно, в режимі скін-ефекту, у формі уявного півхвильового розрізного вібратора. Геометричні розміри g такого вібратора для цієї частоти сигналу становлять: g  k  m / 2  m  m1  d . При цьому, в усьому діапазоні робочих частот, в антені уявні півхвильові розрізні вібратори для будь якої несучої частоти сигналу та смуги її модульованих частот, настроюються автоматично в резонанс без зовнішнього регулювання параметрів такої антени. Тобто антена є широкосмуговою, має вхідний опір як для півхвильового розрізного вібратора близький до 75 Ом і працює у резонансному режимі в усьому діапазоні робочих частот, на який вона розрахована, та широкому діапазоні робочих температур. Так як всі типи антен фактично являються різними модифікаціями півхвильового вібратора, або є різними комбінаціями таких вібраторів, як альтернативне рішення геометричні розміри сторін a і b та a1 і b1 трикутників 1 і 2 вібратора відповідно запропонованої антени можуть бути пропорційно змінені без зміни вибраного кута  , і вона може перетворитись, наприклад, в антену типу хвильового розрізного вібратора, а при зміні її геометрії - двозахідної або багатозахідної спіральної антени, тощо. Антена може бути виконана на поверхні 2-го порядку, наприклад циліндричній. На її виході може бути підсилювач, а на основі неї створена антенна решітка. 3 UA 106550 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Відносно антени, відомої під назвою "Бабочка", запропонована антена буде щонайменше в 2 рази меншою за розмірами, має меншу парусність, при більшій ефективності за рахунок узгодженості елементів антенної системи та нагрузки без введення додаткових узгоджуючих пристроїв. Запропонована широкосмугова резонансна антена може бути, також, ефективно використана як ректена - нелінійна антена для перетворення енергії поля хвилі, що падає на неї, в енергію постійного струму [7]. Відоме застосування антен типу півхвильового розрізного вібратора для прямого перетворення енергії оптичного випромінювання в енергію постійного струму [8]. Такі рішення дозволяють досягти високої ефективності перетворення дарової енергії, наприклад сонячного випромінювання, на резонансній частоті вібратора. Але вузька смуга частот, в якій така антена працює в резонансному режимі, не дозволяє їй ефективно працювати, наприклад, у всій області видимого та ближнього інфрачервоного випромінювання із максимальним значенням потужності випромінювання. В той же час застосування для даних цілей запропонованої широкосмугової резонансної антени значно підвищує ефективність даного процесу. Відомо, що сонячний спектр випромінювання розділяється на три основні області: 1) ультрафіолетове випромінювання (   0,4 мкм) - 9 % інтенсивності; 2) видиме випромінювання (0,4 мкм    0,7 мкм) - 45 % інтенсивності; 3) інфрачервоне випромінювання (   0,7 мкм) - 46 %. При цьому вкладом сонячної радіації з довжиною хвилі більше 2,5 мкм можна знехтувати. Найбільша щільність 2 потоку сонячного випромінювання, що приходить на Землю, складає приблизно 1 кВт/м в діапазоні довжин хвиль 0,3 мкм 2,5 мкм. Потоки енергії випромінювання Землі, що зв'язують 2 атмосферу з поверхнею Землі, становлять також приблизно 1 кВт/м в діапазоні довжин хвиль від 5 мкм до 25 мкм, з максимумом біля 10 мкм. Причому, в дальньому інфрачервоному діапазоні (   12 мкм) атмосфера практично непрозора [9]. При застосуванні інтегральних технологій нанесенням провідників з роздільною здатністю 14 нм22 нм, досягнутою на даний час промисловістю, можливо виготовити антени для прямого перетворення дарової енергії оптичного випромінювання Сонця та Землі в енергію постійного струму в діапазоні довжин хвиль 0,3 мкм2,5 мкм, а також антену в діапазоні довжин хвиль від 5 мкм до 12 мкм відповідно. При цьому ефективність перетворення оптичного випромінювання запропонованою антеною, із-за резонансного режиму її роботи та пучності струму в точках відбору енергії у діапазоні робочих частот, прогнозується вищою, ніж досягнута максимальна ефективність роботи серійних сонячних кремнієвих батарей (~24,5 %), при спрощенні технології її виготовлення. Джерела інформації: 1. Никитин В.А., Соколов Б.Б., Щербаков В.В. "100 и одна" конструкция антенн: телевизионных, радиовещательных, Си-Би-радиосвязи. -М.: "Символ-Р", 1996, С. 17-23. RU. 2. Цифровий ефірний приймач SRT 8500. Посібник користувача. www.strong.tv. UA. 3. Шпиндлер Э. Практические конструкции антенн: Пер. с нем. - М.: Мир, 1989, С. 34. SU. 4. Драбкин А.А., Коренберг Е.Б. Антенны. -М.: Радио и связь, 1992. - 144 с: ил. - (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1173), С. 40, 41; 81. RU. 5. Е.Т. Скорик, В.М. Кондратюк. "Широкополосные антенны для цифровых систем радиосвязи и телевидения". Журнал "Радиолюбитель", № 2, 2012 г., c 50-53. UA. 6. Ротхаммель К. Антенны: Пер. с нем.-3-е изд. доп. - М.: Энергия, 1979, С. 11, 12; 58, 59. SU. 7. Ректена. Авторское свидетельство СССР № 1094110, H02J 17/00. SU. 8. Преобразователь световой энергии в электрическую. Патент США № 4 445 050, Н02М 7/02. Изобретения стран мира. Реферативная информация. МКИ Н02, № 1, 1985 г., С. 60. SU. 9. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. - М.: Энергоиздат, 1990, С. 73-93. - SU. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 Широкосмугова резонансна антена, що складається із півхвильового розрізного вібратора, фідера для знімання сигналу з антени, яка відрізняється тим, що активні елементи півхвильового розрізного вібратора виконані у формі двох однакових нерівносторонніх трикутників із тонкого електропровідного матеріалу, розміщених на площині дзеркально між собою відносно осі, при цьому ближні до осі кути трикутників  обмежені двома сторонами, 4 UA 106550 C2 одна з яких становить 0,95  k  (min / 4  d / 2) , а друга -  max / 4 , де  min і m ax - мінімальна та максимальна довжини хвиль, на які розрахована антена, k - коефіцієнт її укорочення, а кути  5 між ними знаходяться у проміжку 0    45  , причому вершини трикутних активних елементів вібратора із кутами  при цих вершинах розташовані між собою на оптимальній відстані d, також активні елементи півхвильового розрізного вібратора зорієнтовані між собою та на джерело випромінювання з можливістю оптимального прийому сигналів у всьому робочому діапазоні частот широкосмугової резонансної антени, при цьому сигнали з неї знімаються фідером з вершин трикутних активних елементів вібратора із кутами  при цих вершинах. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5