Директорная антенна

 

Изобретение относится к директорным антеннам, может быть использовано в качестве приемопередающей антенны различных радиотехнических систем, например в качестве приемной телевизионной антенны. Техническим результатом является самосимметрирующаяся директорная антенна с повышенным КНД до 12 дБ. Директорная антенна содержит металлический стержень, на концах которого перпендикулярно в своих серединах закреплены рефлектор и директор из металлических стержней, лежащие в одной плоскости, активный излучатель из одинаковых кольцевых трубчатых рамок с зазорами, лежащих в одной плоскости, перпендикулярной стержню, соединенных трубчатой перемычкой в точках, диаметрально противоположных зазорам, так, что линия, проходящая через середины зазоров и ось перемычки, является осью симметрии излучателя, согласующее устройство с входом в виде коаксиального разъема, закрепленное посередине перемычки перпендикулярно плоскости рамок, внутренние проводники, проложенные внутри половин обеих рамок, расположенных с одной стороны оси симметрии излучателя, и половин перемычки и соединенные одним концом с центральным проводником выхода согласующего устройства, а вторыми концами - с противоположными концами рамок в зазорах. Перемычка закреплена на стержне перпендикулярно плоскости расположения рефлектора и директора. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области радиотехники, а точнее к области директорных антенн. Может быть использовано в различных радиотехнических системах, например, в качестве приемной телевизионной антенны.

Известна директорная антенна (ДА) /1, стр. 176, рис 3-33; 2, стр. 52, рис. 27/, содержащая пассивные рефлектор и, по крайней мере, один директор, в направлении которого излучает антенна, активный петлевой вибратор, размещенный между рефлектором и директором, закрепленные параллельно друг другу в одной плоскости в своих средних точках на металлическом стержне, согласующее и симметрирующее устройства, подключенные ко входу активного вибратора, и фидер питания, подключенный ко входу согласующего устройства.

ДА работает следующим образом. Высокочастотное (ВЧ) напряжение передатчика через фидер питания и согласующее устройство возбуждает активный вибратор. Излучаемое вибратором электромагнитное поле (ЭМП) возбуждает пассивные рефлектор и директор. Линейные размеры рефлектора и директора и расстояния между ними и активным вибратором выбраны такими, что наводимые на рефлекторе токи излучают ЭМП в сторону активного вибратора вдоль стержня, а наводимые на директоре токи излучают ЭМП в сторону от активного вибратора вдоль стержня. Излучаемые пассивными и активным элементами поля при распространении интерферируют и создают излучение электромагнитных волн (ЭМВ) с максимумом излучения вдоль стержня в направлении от активного вибратора к директору.

К недостаткам аналога можно отнести наличие симметрирующего устройства активного вибратора как отдельного конструктивного узла и сравнительно недостаточную направленность: при тщательной настройке ДА коэффициент направленного действия (КНД) может достигать 7,5-8 дБ для трехэлементной антенны.

Известна ДА /3, стр. 226, рис. 11-8; 4; 5/, содержащая пассивные рефлектор и, по крайней мере, один директор, в направлении которого излучает антенна, активный излучатель, размещенный между рефлектором и директором, выполненные в форме квадратных рамок различных размеров, расположенные в параллельных плоскостях на одной оси и закрепленные на металлическом стержне в точках нулевого потенциала, согласующее и симметрирующее устройства, подключенные ко входу активного излучателя, и фидер питания, подключенный ко входу согласующего устройства.

ДА работает следующим образом. ВЧ напряжение передатчика по фидеру питания и согласующему устройству подводится к активному излучателю и возбуждает рамку. Излученное этой рамкой ЭМП возбуждает пассивные рамки рефлектора и директора. Линейные размеры сторон квадратов рамок рефлектора и директора и расстояние между ними и активной рамкой выбраны такими, что наводимые на рефлекторе токи излучают ЭМП в сторону активной рамки вдоль оси рамок параллельно несущему стержню, а наводимые на директоре токи излучают поле в сторону от активного излучателя так же вдоль оси рамок. Излучаемые пассивными и активным элементами поля при распространении интерферируют и создают излучение ЭМВ с максимумом излучения вдоль оси рамок в направлении от активной рамки к директору.

Второй аналог несколько увеличивает направленность ДА за счет применения в качестве активного излучателя квадратной рамки.

Наиболее близкой к предлагаемой ДА по технической сущности является выбранная в качестве прототипа ДА /2, стр. 82, рис. 48; 6, стр. 54, рис. 44/, содержащая пассивные рефлектор и, по крайней мере, один директор, в направлении которого излучает антенна, лежащие в одной плоскости и закрепленные в своих центрах на металлическом стержне, активный излучатель, закрепленный через изолятор в своем центре на этом же стержне перпендикулярно ему между рефлектором и директором, согласующее устройство и фидер питания, подключенный ко входу согласующего устройства, активный излучатель выполнен в виде зигзагообразной фигуры из двух квадратных рамок, лежащих в одной плоскости и соединенных между собой в вершинах углов квадратов с зазором между вершинами, так что стороны вершин углов одного квадрата являются продолжением сторон вершин углов второго квадрата, а прямая, проходящая через середину зазора и противоположные вершины углов квадратов, является осью симметрии излучателя и направлена перпендикулярно плоскости расположения рефлектора и директора, согласующее устройство подключено к противоположным вершинам зазора между ними, фидер питания проложен по половине одного квадрата от зазора до вершины, противоположной зазору.

Прототип работает следующим образом. ВЧ напряжение от передатчика по фидеру питания и согласующему устройству подводится к противоположным вершинам в зазоре и возбуждает активный зигзагообразный излучатель так, что излучаемое им ЭМП имеет ориентацию вектора E в пространстве параллельно рефлектору и директору и перпендикулярно оси симметрии излучателя. Излучаемое зигзагообразным излучателем ЭМП возбуждает пассивные рефлектор и директор. Линейные размеры рефлектора и директора и расстояние между ними и активным излучателем выбраны такими, что наводимые на рефлекторе токи излучают ЭМП в сторону активного излучателя вдоль стержня, а наводимые на директоре токи излучают поле в сторону от активного излучателя вдоль того же стержня. Излучаемые пассивными и активным элементами поля при распространении интерферируют и создают излучение ЭМВ с максимумом излучения вдоль стержня в направлении от активного излучателя к директору.

Прототип работает без специального симметрирующего устройства, симметрирование плеч активного излучателя достигается конструкцией последнего и укладкой фидера питания вдоль одной половинки квадратной рамки. Прототип обладает и лучшей направленностью по сравнению с аналогами, КНД прототипа достигает /6, стр. 54/ 8,3-8,9 дБ.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является задача повышения направленности ДА, у которой активный излучатель обладает свойством самосимметрирования.

Техническим результатом предлагаемого решения является ДА, которая не имеет специальных симметрирующих устройств, а КНД на 2-3 дБ выше КНД аналогов и прототипа.

Этот технический результат достигается тем, что в директорной антенне, содержащей активный излучатель, состоящий из двух одинаковых лежащих в одной плоскости рамок с периметром П ≈ λ₀ каждая, где λ₀ - длина волны, расположенный между лежащими в одной плоскости пассивными рефлектором и, по крайней мере, одним директором, в направлении которого излучает антенна, при этом активный излучатель и пассивные рефлектор и директор закреплены в своих центрах на металлическом стержне перпендикулярно ему, и согласующее устройство, новым является то, что рамки активного излучателя соединены между собой трубчатой перемычкой в точках, диаметрально противоположных зазорам в трубчатых рамках так, что линия, проходящая через середины зазоров и ось трубчатой перемычки, является осью симметрии активного излучателя и направлена перпендикулярно плоскости расположения рефлектора и директора, трубчатая перемычка закреплена на стержне, перпендикулярно плоскости трубчатых рамок, посредине трубчатой перемычки установлено коаксиальное согласующее устройство, входом которого является коаксиальный разъем, а центральный проводник выхода коаксиального согласующего устройства удлинен внутрь полости трубчатой перемычки, внутри половин каждой трубчатой рамки, расположенных с одной стороны оси симметрии активного излучателя, и половин трубчатой перемычки проложены внутренние проводники, соединенные одними концами с центральным проводником выхода коаксиального согласующего устройства, а вторыми концами - с противоположными концами трубчатых рамок в зазоре, новым является то, что рамки активного излучателя выполнены кольцевыми, а расстояние l по оси симметрии между центрами колец рамок выбрано равным D_ст + D_к ≅ l ≅ 0,58 λ₀, где D_ст - диаметр металлического стержня, D_к - диаметр колец рамок, новым является то, что рамки активного излучателя выполнены в виде петлевых вибраторов, параллельных друг другу, а расстояние l по оси симметрии активного излучателя межу внутренними трубчатыми проводниками петлевых вибраторов выбрано равным D_ст ≅ l ≅ 0,58λ₀.

Совокупность существенных признаков заявляемого технического решения позволяет в ДА использовать активный излучатель без специальных симметрирующих устройств и повысить КНД антенны на 2-3 дБ по сравнению с другими ДА, имеющими одинаковое количество пассивных элементов.

На фиг. 1 приведен эскиз трехэлементной ДА с активным излучателем в виде двух одинаковых кольцевых трубчатых рамок, на фиг. 2 - эскиз трехэлементной ДА с активным излучателем в виде двух одинаковых петлевых вибраторов, на фиг. 3 - эскиз соединения внутренних проводников, на фиг. 4 - электрическая схема активного излучателя из двух одинаковых кольцевых рамок.

ДА фиг. 1 содержит цилиндрический (квадратный) металлический стержень 1, на концах которого перпендикулярно в своих серединах закреплены рефлектор 2 и директор 3, выполненные также из металлических стержней и лежащие в одной плоскости, активный излучатель, выполненный из двух одинаковых металлических кольцевых трубчатых рамок 4 и 5 с зазорами 6 и 7, лежащих в одной плоскости, перпендикулярной стержню 1, соединенных между собой трубчатой металлической перемычкой 8 в местах, диаметрально противоположных зазорам 6 и 7, так что линия, проходящая через середины зазоров 6 и 7 и ось трубчатой перемычки 8, является осью симметрии излучателя, коаксиальное согласующее устройство 9, закрепленное посредине трубчатой перемычки 8 перпендикулярно плоскости рамок, входом которого является коаксиальный разъем 10, и внутренние проводники 11 и 12, проложенные внутри половин обеих рамок 4 и 5, расположенных с одной стороны оси симметрии излучателя, и половин трубчатой перемычки 8, и соединенные одними концами с центральным проводником выхода согласующего устройства 9, а вторыми концами - с противоположными концами рамок 4 и 5 в зазорах 6 и 7. Трубчатая перемычка 8 закреплена на несущем стержне 1 перпендикулярно ему, так что ось симметрии излучателя перпендикулярна несущему стержню 1 и плоскости расположения рефлектора 2 и директора 3.

ДА фиг. 2 содержит цилиндрический (квадратный) металлический стержень 13, на концах которого в своей середине закреплен директор 14 перпендикулярно стержню, выполненный из металлического стержня, рефлектор из двух металлических стержней 15 и 16, параллельных директору 14, середины которых соединены между собой металлической прямолинейной перемычкой 17, закрепленной в своей середине на втором конце несущего стержня 13 перпендикулярно ему, активный излучатель, выполненный из двух одинаковых трубчатых рамок 18 и 19, имеющих форму петлевых вибраторов, лежащих в одной плоскости параллельно друг другу, имеющих зазоры 20 и 21 посредине внешних проводников рамок и соединенных между собой трубчатой металлической перемычкой 22 посредине внутренних проводников рамок, так что линия, проходящая через середины зазоров 20 и 21 и ось трубчатой перемычки 22, является осью симметрии излучателя, коаксиальное согласующее устройство 23, закрепленное посредине трубчатой перемычки 22 перпендикулярно плоскости рамок-вибраторов, входом которого является коаксиальный разъем 24, и внутренние проводники 25 и 26, проложенные внутри половин обеих рамок 18 и 19, расположенных с одной стороны оси симметрии излучателя, и половин трубчатой перемычки 22 и соединенные одними концами с центральным проводником выхода согласующего устройства 23, а вторыми концами - с противоположными концами рамок 18 и 19 в зазорах 20 и 21. Трубчатая перемычка 22 закреплена на несущем стержне 13 перпендикулярно ему и плоскостям расположения директора 14 и рефлекторов 15 и 16. Перемычки 17 и 22 параллельны между собой, плоскости расположения директора 14 и рефлекторов 15 и 16 перпендикулярны плоскости расположения рамок 18 и 19, ось симметрии активного излучателя перпендикулярна плоскостям расположения директора и рефлекторов. Расстояние рефлекторов 15 и 16 от несущего стержня 13 такое же, как и расстояние центров рамок 18 и 19 от этого же стержня.

На фиг. 3 приведен эскиз электрического соединения согласующего трансформатора с внутренними проводниками кольцевых трубчатых рамок и внутренних проводников с противоположными концами рамок в зазоре. Здесь две трубчатые кольцевые рамки 27,28 и 29,30, лежащие в одной плоскости и имеющие зазоры 31 и 32, соединены между собой трубчатой перемычкой 33 в точках A и A', диаметрально противоположных зазорам 31 и 32. Посредине трубчатой перемычки 33 перпендикулярно плоскости рамок закреплен коаксиальный согласующий трансформатор 34 с внутренним проводником 35, продленным внутрь трубчатой перемычки 33 до ее оси. Входом трансформатора 34 является коаксиальный разъем 36 на другом конце коаксиала. Ось симметрии излучателя проходит через середины зазоров 31 и 32 и ось трубчатой перемычки 33 (точки A и A'). Внутри половин трубчатых рамок 27 и 29, расположенных с одной стороны оси симметрии излучателя, и половин трубчатой перемычки 33 проложены внутренние проводники 37 и 38, которые закреплены во внутренних полостях рамок и перемычки с помощью диэлектрических шайб 39, 40, 41, 42 и 43, 44, 45, 46. Внутренние проводники 37 и 38 соединены одними концами с центральным проводником 35 согласующего трансформатора 34 в точке C, а вторыми концами - с металлическими пробками 47 и 48 противоположных концов рамок 28 и 30 в зазорах 31 и 32.

ДА фиг. 1 и 2 работает следующим образом. ВЧ напряжение от передатчика по фидеру питания, коаксиальным разъемам 10 и 24, согласующим трансформаторам 9 и 23, по половинкам рамок 4, 5 и 18, 19 с внутренними проводниками 11, 12 и 25, 26 подводится к зазорам 6, 7 и 20, 21 в рамках. Зазоры в рамках 6, 7 и 20, 21 являются точками питания каждой рамки активного излучателя и возбуждают эти рамки синфазно. Возбужденные рамки излучают ЭМП линейной поляризации с ориентацией вектора E параллельно пассивным рефлекторам 2 и 15, 16 и директорам 3 и 14. Пассивные рефлектор и директор возбуждаются этим ЭМП активного излучателя. Линейные размеры рефлекторов 2 и 15, 16 и директоров 3, 14 и расстояния между ними и активным излучателем выбраны такими, что рефлекторы имеют индуктивный характер входного сопротивления, а наводимые на них токи излучают ЭМП в сторону активного излучателя вдоль стержня, директоры имеют емкостный характер входного сопротивления, а наводимые на них токи излучают поле в сторону от активного излучателя вдоль стержня /7, стр. 137/. Излучаемые пассивными и активным элементами поля при распространении интерферируют и создают излучение ЭМВ с максимумом излучения вдоль несущего стержня 1, 13 в сторону от активного излучателя к директорам 3, 14. Направление излучения ДА фиг. 1 и 2 показано стрелками с надписью "излучение".

Активные излучатели, выполненные из двух рамок 4, 5 и 18, 19, лежащих в одной плоскости, запитываемых синфазно и излучающих ЭМП линейной поляризации с ориентацией вектора E параллельно плоскости расположения пассивных рефлектора и директора, позволяют сформировать главный лепесток диаграмм направленности (ДН) предлагаемых ДА, суженный в плоскости вектора H по сравнению с аналогами и прототипом, и в результате этого повысить КНД ДА.

Так, для трехэлементных антенн аналога КНД достигает 9 дБ /7, стр. 139/, прототипа /2, стр. 83; 6, стр. 54/ - до 10 дБ, а предлагаемых ДА - до 12 дБ (см. ниже).

Работа активного излучателя ДА иллюстрируется с помощью электрической схемы излучателя фиг. 4. Здесь две трубчатых кольцевых рамки 49, 50 и 51, 52 с зазорами П и П', лежащие в одной плоскости, соединены между собой трубчатой перемычкой 53 в точках R и R', диаметрально противоположных зазорам П и П'. Посредине трубчатой перемычки 53 установлен коаксиальный согласующий трансформатор 54 с входным коаксиальным разъемом (на фиг. 4 не показан). Ось симметрии излучателя проходит через середины зазоров П и П', точки R и R' и ось перемычки 53.

Зазоры П и П' являются точками питания каждой из рамок активного излучателя. ВЧ напряжение к этим зазорам подводится от выхода согласующего трансформатора 54 по коаксиальным линиям, которые образованы левыми половинами 49 и 51 рамок (внешние проводники коаксиалов) и внутренними проводниками 55 и 56 (внутренние проводники коаксиалов). Внутренние проводники 55 и 56 в зазорах П и П' соединяются проводниками 57 и 58 с противоположными концами зазоров - правыми половинами 50 и 52 рамок.

От зазоров П и П' ВЧ ток по обеим половинам 49, 50 и 51, 52 каждой рамки растекается как по двухпроводной линии, в которой проводниками являются полвины 49 и 50, 51 и 52 рамок. В точках R и R', диаметрально противоположных точкам питания П и П', каждая из этих линий замкнута накоротко, так что каждая из двухпроводных линий работает в режиме короткого замыкания (КЗ) на конце, а точки R и R' находятся под нулевым потенциалом /12/. Под нулевым потенциалом находится и вся трубчатая перемычка 53 между точками R и R' и по ней не проходит ВЧ ток. Поэтому эта перемычка может быть соединена с любой металлической конструкцией без нарушения режимов работы рамок и антенны. В предлагаемых ДА эта перемычка крепит рамки активного излучателя к стержню 1 или 13 фиг. 1 и 2.

В точках КЗ R и R' двухпроводных линий устанавливаются пучности тока, а по периметру каждой рамки устанавливается косинусоидальное распределение тока в две полуволны /7, стр. 320, рис XV. 15/, вторые пучности тока устанавливаются в точках питания П и П'; узлы тока устанавливаются в точках K, L (верхняя рамка) и K', L' (нижняя рамка), расположенных на диаметрах, перпендикулярных оси симметрии излучателя. На фиг. 4 распределения токов вдоль периметров рамок показаны пунктирными линиями, а направления токов в текущий момент времени вдоль периметров показаны стрелками I для верхней рамки и I' - для нижней. Ввиду симметрии половин рамок амплитуды токов I и I' в пучностях равны между собой, а сами токи синфазны во времени и совпадают по направлению.

Благодаря косинусоидальному распределению токов I и I' вдоль периметров и направлению их в текущий момент времени, каждая из рамок излучает поле линейной поляризации с ориентацией вектора E параллельно диаметрам KL и K'L', которые являются главными плоскостями векторов E (верхняя рамка) и E' (нижняя рамка). Максимумы излучения каждой рамки лежат в этой плоскости и проходят через центры рамок O и O' по линии, перпендикулярной плоскости рамок. Главные плоскости векторов E и E' на фиг. 4 показаны стрелками "пл. E" и "пл. E'". Главные плоскости векторов H и H' перпендикулярны главным плоскостям "пл. E" и "пл. E'", совпадают с осью симметрии излучателя и на фиг. 4 обозначены как H и H'.

Следовательно, каждую из рамок двухрамочного активного излучателя ДА по отношению к характеристикам излучения можно заменить эквивалентным линейным вибратором, лежащим в плоскости рамок вдоль диаметров KL и K'L' и излучающим поле линейной поляризации с ориентацией вектора вдоль этого вибратора. Тогда весь двухрамочный активный излучатель можно эквивалентно представить в виде двух таких линейных параллельных вибраторов, лежащих в плоскости рамок вдоль диаметров KL и K'L' на расстоянии l друг от друга, равным D_ст + D_к ≅ l ≅ 0,58 λ₀, питаемых параллельно и синфазно от выхода согласующего трансформатора. Два этих линейных вибратора образуют синфазную двухэлементную решетку в плоскости H. Максимум излучения такой решетки (максимум главного лепестка ДН антенны) находится на линии пересечения двух плоскостей, перпендикулярных плоскости рамок: суммарной плоскости вектора E_Σ = E + E' и суммарной плоскости вектора H_Σ = H + H'. На фиг. 4 эти плоскости обозначены "пл. E_max" и "пл. H_max". Эти плоскости и являются главными плоскостями излучателя.

Так как эквивалентные линейные вибраторы каждой рамки образуют синфазную решетку из двух параллельных элементов только в плоскости H, то ДН предлагаемой ДА в плоскости E будет такой же, как и при одиночном активном излучателе, а в плоскости H изменится в соответствии с множителем решетки /7, стр. 70, формула (III.18)/.

Трубчатые рамки излучателей, трубчатые перемычки между рамками и корпус согласующего трансформатора могут быть изготовлены из любой трубки, например латунных трубок типов "Труба ДКНМР10х1 ОЛ63ГОСТ494-75" или "Труба ДКНМР12х1 ОЛ63ГОСТ494-75". Рекомендуемый наружный диаметр трубки D_тр < 0,1D_к, где D_к - средний диаметр кольца рамки.

В качестве коаксиальных разъемов могут быть использованы промышленные высокочастотные коаксиальные соединители, например, СР50-150Ф или СР50-152Ф и т.п.

В качестве внутренних проводников 11 и 12, 25 и 26 фиг. 1-2 лучше всего использовать отрезок радиочастотного кабеля, например РК50-4-21 или РК50-7-21 и т.п. со снятой наружной изоляцией, при этом наружная оплетка кабеля соединяется электрически с внутренней поверхностью трубки, а внутренний проводник кабеля используется как внутренний проводник рамок. Внутренний проводник согласующего трансформатора может быть изготовлен из латунных прутков любой марки, например ЛС59-1 ГОСТ15527-74 или ЛС63 ГОСТ15527-74. Металлические пробки противоположных концов зазоров могут быть изготовлены из тех же прутков.

Диэлектрические шайбы для крепления внутренних проводников внутри трубчатых рамок могут быть изготовлены из любого высокочастотного диэлектрика, например фторопласта ФТ-4.

Рефлекторы и директоры могут быть изготовлены из любых металлических трубок или прутков диаметром d_пр = 15-20 мм, например Д16Т /6, стр. 30/. Металлический стержень может быть изготовлен из любых металлических прутков, например Д16Т, диаметром D_ст = 20-40 мм.

В целях подтверждения осуществимости заявляемой ДА изготовлен макет антенны с кольцевыми активными рамками со следующими данными: рабочая частота f = 482 МГц; длина волны в свободном пространстве λ₀ = 0,622 м; средний диаметр колец D_к = 315 λ₀ = 0,20 м; длина рефлектора l_рф = 0,572 λ₀ = 0,356 м; длина директора l_др = 0,416 λ₀ = 0,258 м; расстояние между рефлектором и рамками l_{р рф} = 0,156 λ₀ = 98 мм; расстояние между директором и рамками l_{р др} = 0,124 λ₀ = 78 мм; общая длина антенны L_А = 0,287 λ₀ = 174 мм; диаметр стержня D_ст = 0,032 λ₀ = 20 мм; длина трубчатой перемычки l_прм = 0,064 λ₀ = 40 мм; расстояние между центрами рамок l = 0,35 λ₀ = 220 мм; ширина зазоров питания рамок Δ l_з = 0,016 λ₀ = 10 мм.

Рамки изготовлены из латунной трубки "Труба ДКНМР10х1,5 ОЛ63ГОСТ494-75" с наружным диаметром D_тр = 10 мм = 0,05D_к = 0,016 λ₀. Рефлектор и директор изготовлены из трубы Д16Т диаметром D_рф = 15 мм = 0,022 λ₀. КНД изготовленной антенны D = 11,6 дБ.

Покажем, что предлагаемая ДА, во-первых, не нуждается в отдельном симметрирующем устройстве и, во-вторых, имеет повышенный по сравнению с подобными ДА с одинаковым числом директоров КНД на 2-3 дБ.

В двухрамочном активном излучателе фиг. 1-4 половины рамок от точек питания в зазорах до точек короткого замыкания в точках соединения рамок являются двухпроводными линиями с одинаковой длиной проводников. Так как всякая двухпроводная линия с одинаковой длиной проводников в режиме КЗ является симметричной линией на любых частотах, то в каждой из рамок активного излучателя обеспечивается симметрирование распределения тока в точках питания в зазорах на любых частотах самой конструкцией рамок, выполненных в виде кольцевых двухпроводных линий. Поэтому предлагаемая ДА не нуждается в отдельных симметрирующих устройствах, она самосимметрирующаяся.

Повышение КНД в предлагаемой ДА достигается за счет повышенного КНД активного двухрамочного излучателя по сравнению с другими активными излучателями, например, аналогов и прототипа.

Предварительно приведем КНД активных излучателей: КНД петлевого вибратора /8, стр. 8/ D = 1,64 или D = 2,15 дБ; КНД зигзагообразного излучателя-прототипа /8, стр. 16, рис. 9/ D = 2,2 или D = 3,4 дБ; КНД одиночной рамочной антенны предлагаемой ДА /9, стр. 47/ D = 2,5 или D = 4 дБ. Таким образом, направленность только одной рамки в предлагаемой ДА больше направленности петлевого вибратора на 1,85 дБ и направленности прототипа на 0,6 дБ.

Согласно фиг. 4 активный излучатель из двух рамок в предлагаемой ДА в отношении диаграммы направленности и КНД эквивалентен синфазной решетке в плоскости H из двух линейных излучателей. У такой решетки ДН и КНД в плоскости E остаются одинаковыми с ДН и КНД одиночного излучателя, а ДН и КНД изменяются в плоскости H и учитываются множителем решетки в этой плоскости.

КНД антенны можно оценить по известной формуле /1, стр. 83/ где 2ϕ_0,5 - раствор нормированной ДН по уровню половинной мощности в плоскости H; 2Θ_0,5 - раствор нормированной ДН по уровню половинной мощности в плоскости E.

Нормированная ДН одиночной рамки в плоскости H равна /9, стр. 45/ Fⁱ₁(ϕ) = cosϕ, (2) где индекс "н" означает нормированная.

Положив Fⁱ₁(ϕ) = 0,707 (уровень половинной мощности), найдем раствор нормированной ДН F^н(ϕ) одиночной рамки в плоскости H по уровню половинной мощности: 2ϕ_0,5= 2 arccos 0,707 = 2·45^o = 90^o.

Подставим 2ϕ_0,5 = 90^o и D = 2,5 в формулу (1), найдем раствор ДН F^н(ϕ) в плоскости E одиночной рамки по уровню половинной мощности:

Величина 2Θ_0,5 = 147^oC в плоскости E остается такой же и для двухрамочного активного излучателя предлагаемой ДА как синфазной решетки в плоскости H. ДН синфазной решетки в плоскости H равна /7, стр.45/:
Fⁱ(ϕ) = Fⁱ₁(ϕ)Fⁱ_ï(ϕ), (3)
где Fⁱ₁(ϕ) = cosϕ - ДН одиночного излучателя; множитель решетки, n - число элементов в решетке. Для n = 2 множитель решетки равен /7, стр. 72/

где k = 2πλ₀; λ₀ - длина волны; l - расстояние между параллельными элементами решетки.

Кяк видно из формулы (4), множитель решетки Fⁱ₂(ϕ) зависит от расстояния l между элементами решетки. Найдем минимальное l_min и максимальное l_max расстояния между эквивалентными линейными элементами двухрамочного активного излучателя предлагаемой ДА. Минимальное l_min равно l_min = D_к + D_ст. Для оценки можно считать D_ст = 0 и l_min = D_к, где D_к - диаметр колец рамки, при этом D_к= λ₀/π, где λ₀ - длина волны, D_к = l_min.

Подставим l_min = λ₀/π в формулы (4) и (3), найдем нормированную ДН Fⁱ(ϕ) в плоскости H двухрамочного излучателя:
Fⁱ(ϕ) - cosϕ·cos(sinϕ), (5)
Положим F'(ϕ) = 0,707 (уровень половинной мощности), подставим это значение в формулу (5), найдем раствор ДН F'(ϕ) двухрамочного активного излучателя 2ϕ_0,5 по уровню половинной мощности в плоскости H: ϕ_0,5≈ 34°; 2ϕ_0,5≈ 68°.
Подставим 2ϕ_0,5 = 68^o и 2Θ_0,5 = 147^o в формулу (1), найдем КНД двухрамочного излучателя при минимальном расстоянии l_min = λ₀/π между центрами рамок:
или D = 5,2 дБ
Максимальное расстояние l_max между центрами рамок определяется из выражения /10 стр. 21/:

где ψ_max - максимальный угол отклонения главного лепестка ДН от ее оси.

Положив для определенности ψ_max ≅ 45^o, находим sin45^o = 0,707 и l_max = λ₀/l, 707 = 0,58 λ₀. Подставим l_max = 0,58 λ₀ в формулу (4), найдем нормированную ДН F_н (ϕ) двухрамочного излучателя при l_max = 0,58 λ₀
F^H(ϕ) = cosϕ·cos(1,85·sinϕ) (7)
Положим здесь ДН F^н(ϕ) = 0,707 (уровень половинной мощности), подставим это значение в формулу (7), найдем раствор ДН F^н(ϕ) двухрамочного активного излучателя 2ϕ_0,5 по уровню половинной мощности в плоскости H при l_max = 0,58 λ₀ ϕ_0,5= 23°; 2ϕ_0,5= 46°
Такому раствору ДН соответствует КНД
D₂ = = 4,88 ≈ 4,9 или D₂ = 6,9 дБ.

Формула (6) позволяет увеличить максимальное расстояние l_max между центрами рамок до l_max = λ₀, если положить ψ_max = 0^o и sin(0) = 0.

При увеличении l_max в пределах 0,58λ₀≅l≅λ₀ КНД двухрамочного излучателя возрастает до предельного значения D_max = 7 дБ, а далее за счет появления боковых лепестков начинает снижаться.

Имея в виду, что КНД трехэлементных директорных антенн не менее чем на 5 дБ больше КНД одиночных активных излучателей /11, стр. 96/, используемых в конструкции ДА, подсчитаем КНД аналогов, прототипа и предлагаемой антенны:
аналоги /7, стр. 139/ - D ≅ 9 дБ
прототип /6, стр. 54/ - D ≅ 10 дБ
предлагаемая ДА - D = 10,2-12 дБ.

Проведенный анализ показывает, что предлагаемая директорная антенна удовлетворяет условиям патентоспособности: удовлетворяет критериям новизна и изобретательский уровень, технически реализуется и имеет промышленную применимость.

Источники информации.

1. М.С.Жук, Ю.Б.Молочков. Проектирование АФУ, М-Л, Энергия, 1966.

2. И.П.Онищенко. Телевизионные антенны, М, ДОСААФ, 1988.

3. К.Ротхаммель. Антенны, М, Энергия, 1967.

4. В.П.Кулемин, П.А.Нагорнов, Б.К.Филимонов. Антенна. А.С. N 1529328 от 26.01.88, H 01 Q 19/17, Оп. 15.12.89, Бюл N 46.

5. Б. К. Филимонов, А.Н.Константинов, А.В.Смелюков, В.М.Гиренко. Директорная антенна. А.С. N 1737579 от 22.02.90 H 01 Q 19/17 Оп. 30.05.92 Бюл. N 20.

6. В. П. Кисмерешкин. Телевизионные антенны индивидуального приема. М. Связь, 1976.

7. А.Л.Драбкин, В.Л.Зузенко, А.Г.Кислов. АФУ, М. Сов. Радио, 1974.

8. Л.М.Капчинский. Конструирование и изготовление телевизионных антенн. М., Радио и связь, 1990.

9. А.А.Фалунин. Оптимальный режим работы двухэлементной директорной антенны из кольцевых соосных рамок. В сб. "Доклады НТК за 1964-65 г. Секция радиотехническая", М., МЭИ, 1965, стр. 36-43.

10. Антенны и устройства СВЧ (проектирование антенных фазированных решеток). Под ред. Д.И. Воскресенского, М., Радио и связь, 1981.

11 Э. Шпиндлер. Практические конструкции антенн, М, Мир, 1989.

12. Л. М. Лобкова, М.Б.Проценко, О.А.Постный. Частотные характеристики входного сопротивления рамочной антенны. Радиоэлектроника, 1998, т. 41, N 12, стр. 20-25.

Формула изобретения

1. Директорная антенна, содержащая активный излучатель, состоящий из двух одинаковых лежащих в одной плоскости трубчатых рамок с периметром П ≈ λ₀ каждая, где λ₀-длина волны, расположенный между лежащими в одной плоскости пассивными рефлектором и по крайней мере одним директором, в направлении которого излучает антенна, при этом активный излучатель и пассивные рефлектор и директор закреплены в своих центрах на металлическом стержне перпендикулярно ему, и коаксиальное согласующее устройство, отличающаяся тем, что рамки активного излучателя соединены между собой трубчатой перемычкой в точках, диаметрально противоположных зазорам в трубчатых рамках, так, что линия, проходящая через середины зазоров и ось трубчатой перемычки, является осью симметрии активного излучателя и направлена перпендикулярно плоскости расположения рефлектора и директора, трубчатая перемычка закреплена на металлическом стержне перпендикулярно плоскости трубчатых рамок, посередине трубчатой перемычки установлено коаксиальное согласующее устройство, входом которого является коаксиальный разъем, а центральный проводник выхода коаксиального согласующего устройства удлинен внутрь полости трубчатой перемычки, внутри половин каждой трубчатой рамки, расположенных с одной стороны оси симметрии активного излучателя, и половин трубчатой перемычки проложены внутренние проводники, соединенные одними концами с центральным проводником выхода коаксиального согласующего устройства, а вторыми концами - с противоположными концами трубчатых рамок в зазоре.

2. Директорная антенна по п.1, отличающаяся тем, что трубчатые рамки активного излучателя выполнены кольцевыми, а расстояние l по оси симметрии между центрами колец трубчатых рамок выбрано равным D_ст + D_к ≅ l ≅ 0,58 λ₀, где D_ст - диаметр металлического стержня, D_к - диаметр колец трубчатых рамок.

3. Директорная антенна по п.1, отличающаяся тем, что трубчатые рамки активного излучателя выполнены в виде петлевых вибраторов, параллельных друг другу, а расстояние l по оси симметрии активного излучателя между внутренними трубчатыми проводниками петлевых вибраторов выбрано равным D_ст ≅ l ≅ 0,58 λ₀.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4