Антена направленої дії

Реферат: Антена направленої дії належить до радіотехніки і може бути використана як антена радіотехнічних пристроїв різного призначення, зокрема як широкосмугової антени направленої дії. Антена складається з широкосмугових вібраторів, розташованих на відстані одної восьмої робочої довжини хвилі один від одного, які з'єднані фідерними лініями, при цьому перший вібратор є директором, до якого приєднаний коаксіальний живильний кабель, другий шлейфвібратором, а останній рефлектором. Несиметрична конструкція директора дозволила спростити конструкцію антени та покращити її узгодження коаксіальним живильним кабелем та розширити смугу її пропускання, тоді як шлейфова конструкція інших вібраторів дозволила, без зміни умов сполучення з коаксіальним живлячим кабелем, додавати до антени випромінювачі в кількості, необхідній для отримання заданих коефіцієнтів підсилення та направленої дії. UA 112506 C2 (12) UA 112506 C2 UA 112506 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід стосується радіотехніки і може бути використаний як антени радіотехнічних пристроїв різного призначення, зокрема як антени направленої дії. Відомі багатовібраторні 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 забезпечити значну спрямованість, антени Хвильовий канал мають недоліки. До них належать: Незначна смуга пропускання, що заважає їх роботі у широкому діапазоні частот; 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 дозволяє приймати радіосигнали у широкому діапазоні частот на одну антену але не має спрямованості у Нплощині 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 однонаправлена, яка описана у [3]. Антена включає два шлейфвібратори, довжиною у половину хвилі (  / 2 ), розташованих на відстані одної восьмої  / 8 робочої довжини хвилі один від одного, при цьому перший вібратор є рефлектором, а другий директором, до котрого приєднаний живильний кабель, які з'єднані паралельно перехрещеною фідерною лінією - прототип. Основними недоліками прототипу є незначний коефіцієнт підсилення, мала смуга пропускання, значні розміри антени у поперечному напрямі, обумовлені напівхвильовою довжиною кожного шлейф-вібратора, та необхідність застосування симетруючого пристрою для сполучення з коаксіальним кабелем, це ускладнює конструкцію та зменшує смугу пропускання антени. Технічною задачею винаходу є підвищення коефіцієнта підсилення, зменшення розмірів антени, розширення смуги її пропускання та покращення сполучення з коаксіальним кабелем. Для вирішення поставленої задачі в антені направленої дії, що включає активні вібратори, розташовані на відстані одної восьмої робочої довжини хвилі один від одного, які з'єднані фідерною лінією, при цьому один з вібраторів є рефлектором, а другий директором, до якого приєднаний коаксіальний живильний кабель, згідно з винаходом, як рефлектор та директор застосовані вкорочені симетричні широкосмугові вібратори, між якими додатково встановлений середній шлейф-вібратор, при цьому рефлектор і середній шлейф-вібратор виготовлені симетричним шлейф-вібратором та включають 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, а директор виконаний несиметричним і складається з активного вібратора, виконаного аналогічно вібраторам рефлектора та середнього шлейф-вібратора, і металевої противаги у вигляді меандру, при цьому зовнішній провідник живильного коаксіального кабелю приєднаний до противаги директора, а його центральний провідник приєднаний до першої фідерної лінії, яка з'єднує послідовно директор та передню половину середнього шлейфвібратора, задня половина якого з'єднана другою фідерною лінією з другим шлейфомвібратором, що є рефлектором. Використання широкосмугових вібраторів та противаги у вигляді меандру дозволило розширити смугу пропускання антени, а встановлення додаткового вібратора підвищило коефіцієнт підсилення антени. При цьому несиметрична конструкція директора дала змогу приєднати антену до коаксіального кабелю без симетруючого пристрою, а послідовне з'єднання директора та середнього шлейф-вібратора дозволило збільшити вхідний опір антени і покращити сполучення антени з живильним фідером при малих розмірах антени. Приєднання живильного кабелю та з'єднуючих фідерних ліній до внутрішніх частин директора та шлейфвібраторів дозволило покращити фазову характеристику сполучення рефлектора середнього шлейф-вібратора та директора, що сприяло підвищенню коефіцієнта підсилення та спрямованості антени. Суть винаходу пояснюється кресленнями. Фіг. 1. Схема з'єднань елементів антени направленої дії. Фіг. 2. Зовнішній вигляд середнього шлейф-вібратора та рефлектора антени направленої дії. Фіг. 3. Зовнішній вигляд директора антени направленої дії. Фіг. 4. На фіг. 4 показані напрямки струмів у елементах антени та їх електрична довжина. 1 UA 112506 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Фіг. 5. Напрямки та розподіл струмів у елементах антени направленої дії і розподіл вхідних імпедансів вібраторів та хвильових опорів з'єднуючих та живильного фідерів при послідовному з'єднанні директора, другої фідерної лінії, живильного коаксіального фідера та середнього шлейф-вібратора. Фіг. 6. Зовнішній вигляд антени направленої дії. Фіг. 7. Схема з'єднань елементів антени направленої дії з приєднаними додатковими елементами. Зображена на фіг.1 антена направленої дії включає широкосмуговий симетричний середній шлейф-вібратор 1, у розрив задньої частини якого через першу фідерну лінію 2 приєднаний рефлектор 3, виготовлений аналогічно середньому шлейф-вібратору, а у розрив передньої частини середнього шлейф-вібратора через другу фідерну лінію 4 приєднані послідовно з'єднані директор 5 та живильний фідер 6. При цьому відстані між середніми лініями вібраторів дорівнюють одній восьмій робочої довжини хвилі антени на середній частоті смуги її пропускання. Показані на фіг. 2 середній шлейф-вібратор та рефлектор антени направленої дії виготовлені аналогічно у вигляді симетричних шлейф-вібраторів та включають в кожному плечі, навантажений на ємність, що укорочує, активний вібратор 7, виготовлений з двох металевих пластин, між якими попарно включені одновиткові подовжувальні котушки 8, розташовані перпендикулярно до поверхні пластин і зміщені в кожній парі, одна в напрямку ємності, що укорочує, 9, а друга в напрямку фідерної лінії. Чотири широкосмугових вібратори складаються у симетричний шлейф-вібратор, якими є середній шлейф-вібратор та рефлектор. Відмінність рефлектора від середнього шлейф-вібратора полягає в тому, що рефлектор у своїх задній частині виконаний суцільним, без розриву для підключення фідерної лінії. Зовнішній вигляд директора показаний на фіг. 3. Директор виготовлений несиметричним і складається з активного вібратора 7, виготовленого аналогічно вібраторам середнього шлейфвібратора та рефлектора, і противаги 10 у вигляді меандру. На фіг. 4 показані напрямки струмів(і) у середньому шлейф-вібраторі 1, рефлекторі 3 та у директорі 5, при послідовному з'єднанні директора, другої фідерної лінії 4, живильного фідера 6 та середнього шлейф-вібратора. До противаги приєднаний зовнішній провідник живильного фідера, що є коаксіальним кабелем, а його внутрішній провідник приєднаний через другу фідерну лінію до передньої частини середнього шлейф-вібратора. На фіг. 4 також показані розміри елементів антени, виражені у електричній довжині (розмір у довжині хвилі, що укладається в елементі). На фіг. 5 показані напрямки та розподіл струмів у середньому шлейф-вібраторі 1, першій фідерній лінії 2, рефлекторі 3, у другій фідерній лінії 4 у директорі 5 та у живильному фідері 6, а також розподіл вхідних імпедансів вібраторів і хвильових опорів з'єднуючих та живильних фідерів при послідовному з'єднанні директора, другої фідерної лінії, живильного фідера, (що є коаксіальним кабелем), та середнього шлейф-вібратора. Зовнішній вигляд антени направленої дії показаний на фіг. 6. Антена включає середній шлейф-вібратор 1, до якого через першу фідерну лінію 2 приєднаний рефлектор 3, а також, через другу фідерну лінію 4 приєднані послідовно з'єднані директор 5 та живильний кабель 6. В разі потреби підвищити коефіцієнти підсилення та спрямованості до антени направленої дії додатково можуть бути приєднані блоки випромінювачів, що складаються з середнього шлейф-вібратора 1 та з'єднуючої фідерної лінії 2. Оскільки вказана структура (поз. 1, 2) є регулярною, її додавання до антени направленої дії у різній кількості не змінює вхідний імпеданс антени та умови її сполучення з живильним фідером. Відстані між сусідніми вібраторами дотримують рівними  / 8 . На фіг. 7 показана антена направленої дії з доданими з періодом  / 8 регулярними структурами у складі симетричних шлейф-вібраторів 1n, з'єднаних фідерними лініями 2n, що приєднуються до антени для підвищення її коефіцієнтів підсилення та спрямованості. Регулярні структури приєднані між середнім шлейф-вібратором 1 та рефлектором 3. Кількість доданих регулярних структур n обумовлюється потрібними значеннями коефіцієнтів спрямованості та підсилення антени направленої дії. Розміри вібраторів антени вибрані таким чином, що рефлектор має індуктивний опір, а директор ємнісний, тоді як середній шлейф-вібратор має опір активним. Відстані між середніми лініями вздовж рефлектора та середнього шлейф-вібратора і середнього шлейф-вібратора та директора вибрані рівними одній восьмій довжини хвилі у середній частині робочого діапазону частот (Фіг. 4). Працює антена дводіапазонна наступним чином. Електрична енергія, що надходить із коаксіального кабелю 6 (фіг. 1), збуджує електричні коливання у директорі 5 та через фідерні 2 UA 112506 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 лінії 2 та 4 у середньому шлейф-вібраторі 1 та у рефлекторі 3. Випромінювання антени у бік директора формується за рахунок фазового зсуву коливань у директорі, у середньому шлейфвібраторі та у 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 забезпечене послідовним живленням директора, рефлектора та середнього шлейф-вібратора. Послідовне живлення вібраторів дозволило отримати потрібні фазові зсуви електричних коливань у вібраторах антени, сполучити їх імпеданси з хвильовими опорами з'єднуючих фідерних ліній, а також поліпшити узгодження імпедансу антени з хвильовим опором живильного коаксіального кабелю, особливо при малих розмірах вібраторів. Пропонована конструкція антени дозволяє використовувати як фідери стандартні коаксіальні кабелі з хвильовим опором 50 та 75 Ом без узгоджуючих пристроїв. Це спрощує конструкцію антени та розширює її смугу пропускання. При зменшені електричної довжини вібраторів їх опір випромінювання та імпеданс зменшуються згідно з формулою R  80 2 (l /  )2 , де, R - опір випромінювання, що складає більшу частину вхідного опору антени,  - число Пі, I - довжина випромінювача антени (директора або рефлектора),  - довжина робочої хвилі антени. Таким чином, при значному скороченні розмірів антени її вхідний опір стає значно меншим хвильового опору живильного фідера. Незначна відстань між директором, середнім шлейфвібратором та рефлектором також призводить до зниження вхідного опору антени за рахунок їх взаємного шунтування. Для збільшення вхідного опору до потрібного значення в Антені направленої дії використане послідовне з'єднання директора та середнього шлейф-вібратора. Таким чином їх імпеданси додаються, що збільшує загальний імпеданс антени та покращує її сполучення з хвильовим опором живильного коаксіального фідера при малих геометричних розмірах антени та її елементів. Стосовно середнього шлейф-вібратора та рефлектора, їх імпеданси при малих розмірах збільшуються за рахунок шлейфової конструкції [4]. Додавання регулярних структур у складі симетричних шлейф-вібраторів 1n, з'єднаних фідерними лініями 2n дозволяє збільшувати коефіцієнти спрямованості та підсилення антени направленої дії до заданого рівня. Для отримання однобічної спрямованості антени та зменшення її бічного та зворотного випромінювання необхідно забезпечити потрібний фазовий зсув між електричними коливаннями у випромінювачах антени. Для цього потрібно вирівняти запізнення фаз електромагнітних хвиль, що приходять від директора до середнього шлейф-вібратора та від середнього шлейф-вібратора до рефлектора по вільному простору та фаз електричних коливань, що приходять до вказаних випромінювачів по фідерних лініях. Ці запізнення будуть різними, оскільки швидкість розповсюдження електричної енергії у фідерних лініях, що з'єднують вібратори антени, буде меншою, ніж у вільному просторі за рахунок уповільнючої дії діелектрика у складі ліній. Вирішити це протиріччя можливо за рахунок збільшення ширини вібраторів та приєднання з'єднуючих та живлячого фідерів до внутрішніх сторін вібраторів. 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 направленої дії та сприяло підвищенню коефіцієнтів підсилення та спрямованості, зниженню рівня бічного і зворотного випромінювання що підвищило перешкодозахисність антени. Це сприяє покращенню електричних, масогабаритних та експлуатаційних показників антени направленої дії і дає значний технікоекономічний та соціальний ефекти при її впровадженні. Джерела інформації: 1. Борийчук Г.И., Булич В.И. - Радиолюбителю о телевизионных антеннах. М., ДОСААФ, 1977. - стр. 293. 2. Патент України № 68831, кл. H01Q7/08 опубл. 06.11.2003. 3. Ротхаммель К. - Антенны: Пер. с нем. 1-ое полное издание, С-Пб.: Издательство "БОЯНЫЧ", 1998, стр. 224. 4. Ротхаммель К. - Антенны: Пер. с нем. 1-ое полное издание, С-Пб.: Издательство "БОЯНЫЧ", 1998, стр. 57-61. 3 UA 112506 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 1. Антена направленої дії, що містить активні вібратори, розташовані на відстані одної восьмої робочої довжини хвилі один від одного, які з'єднані фідерною лінією, при цьому один з вібраторів є рефлектором, а другий - директором, до якого приєднаний коаксіальний живильний кабель, яка відрізняється тим, що як рефлектор та директор застосовані вкорочені симетричні широкосмугові вібратори, між якими додатково встановлений середній шлейф-вібратор, при цьому рефлектор і середній шлейф-вібратор виконані у вигляді симетричних шлейф-вібраторів та включають в кожному плечі, навантажений на ємність, що укорочує, активний вібратор, який 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, а директор виконано несиметричним, який складається з активного вібратора, виконаного аналогічно вібраторам рефлектора та середнього шлейф-вібратора, і металевої противаги у вигляді меандру, при цьому зовнішній провідник живильного коаксіального кабелю приєднаний до противаги директора, а його центральний провідник приєднаний до першої фідерної лінії, яка з'єднує послідовно директор та передню половину середнього шлейф-вібратора, задня половина якого з'єднана другою фідерною лінією з другим шлейф-вібратором, що є рефлектором. 2. Антена за п. 1, яка відрізняється тим, що додаються, з періодом, що дорівнює одній восьмій довжини хвилі, регулярні структури у складі симетричних шлейф-вібраторів, з'єднаних фідерними лініями, що приєднуються між середнім шлейф-вібратором та рефлектором. 4 UA 112506 C2 5 UA 112506 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело 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 6