Двухрамочная антенна

 

Изобретение относится к рамочным антеннам. Может быть использовано в качестве приемопередающих антенн различных радиотехнических систем, например приемных телевизионных систем. Техническим результатом является создание двухрамочной самосимметрирующейся антенны с повышенным коэффициентом направленного действия. Двухрамочная антенна содержит две одинаковых кольцевых трубчатых рамки, лежащих в одной плоскости, соединенных между собой трубчатой перемычкой и имеющих зазоры и диаметрально противоположно точкам соединения рамок, коаксиальное согласующее устройство, установленное посредине трубчатой перемычки перпендикулярно плоскостям рамок, внутренние проводники, проложенные внутри половин рамок, находящихся с одной стороны оси симметрии антенны, и половин трубчатой перемычки, закрепленные внутри этих половин с помощью диэлектрических шайб, соединенные одними концами с центральным проводником коаксиального согласующего устройства, а вторыми концами - с противоположными концами зазоров рамок в металлических пробках. Ось симметрии антенны проходит через середины зазоров и ось трубчатой перемычки. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области радиотехники, а точнее - к области рамочных антенн. Может быть использовано в качестве приемопередающих антенн различных радиотехнических систем, например как приемная телевизионная антенна.

Известна антенна, содержащая петлевой вибратор /1, стр. 108, рис. 3.1,д; 2, стр. 16, рис. 1-14; 3, стр. 49, рис. 19,д/ в виде трех близко расположенных линейных параллельных проводников, лежащих в одной плоскости и соединенных между собой по концам перемычками, согласующее и симметрирующее устройства и фидер питания, подключенный ко входу согласующего устройства, при этом средний проводник вибратора выполнен с зазором посредине, так что параллельные проводники образуют симметричные плечи вибратора относительно оси симметрии, проходящей через середину зазора и середины крайних проводников, а согласующее и симметрирующее устройство подключены к плечам вибратора в зазоре среднего проводника.

Аналог работает следующим образом. Высокочастотное (ВЧ) напряжение по фидеру питания от передатчика подается через согласующее устройство на плечи вибратора, который излучает в свободное пространство электромагнитную волну (ЭМВ) линейной поляризации с ориентацией вектора в пространстве параллельно проводникам плеч вибратора. Симметрирующее устройство, подключенное к плечам вибратора, используется для симметрирования распределения тока в плечах вибратора при питании его через несимметричный фидер (например, коаксиальный).

Недостатком аналога можно считать наличие симметрирующего устройства как отдельного функционального узла в конструкции антенны /2, стр. 42, рис. 1-57; 3, стр. 56, рис. 32; 4, стр. 34, рис. 17/.

Известна рамочная одновитковая антенна /5, стр. 513, рис. 12-22; 6-9/, содержащая рамочный излучатель в виде трубчатого кольца с зазором, коаксиальный разъем, размещенный в кольце диаметрально противоположно зазору, внутренний проводник, проложенный внутри одной из половин кольца и соединенный одним концом с центральным проводником коаксиального разъема, а вторым концом - со входом согласующего устройства, которое расположено так же внутри этой половины кольца вблизи зазора и выход которого соединен с противоположным концом трубчатого кольца в зазоре.

Второй аналог работает следующим образом. ВЧ напряжение по фидеру питания, подключенному ко входу коаксиального разъема, поступает на вход разъема и далее по половинке кольца с внутренним проводником к точкам питания антенны в зазоре кольца. Вдоль кольца по его периметру устанавливается косинусоидальное распределение ВЧ тока с пучностями в местах расположения коаксиального разъема и зазора и узлами в точках периметра, отстоящих от коаксиального разъема на расстояниях l_у= λ₀/4, где λ₀ - длина волны, так что вдоль периметра кольца рамки укладываются две полуволны. В результате такого распределения тока по периметру рамка излучает в свободное пространство ЭВМ линейной поляризации с ориентацией вектора в пространстве параллельно диаметру, проходящему через точки узлов тока на периметре кольца рамки.

Второй аналог устраняет недостаток первого, рамочной антенне не требуется самостоятельного симметрирующего устройства, функции симметрирования выполняет само кольцо рамки, как короткозамкнутая длинная линия в точке установки коаксиального разъема.

Наиболее близкой к предлагаемой рамочной антенне по технической сущности является выбранная в качестве прототипа зигзагообразная антенна /2, стр. 258, рис. 11-19 и 11-20; 4, стр. 82, рис. 48 или стр. 85, рис. 51/, содержащая излучатель в виде двух рамок квадратной формы, лежащих в одной плоскости и соединенных между собой в вершинах углов квадратов с зазорами между вершинами, так что стороны вершин углов одного квадрата являются продолжением сторон вершин квадрата другой рамки, а прямая, проходящая через вершины противоположных углов квадратов и середину зазора между вершинами соединяемых углов, является осью симметрии антенны, согласующее устройство, подключенное в зазоре к противоположным вершинам квадратов, и фидер питания, подключенный ко входу согласующего устройства и продолженный по одной половине от оси симметрии одного квадрата до вершины квадрата, противоположной зазору.

Прототип работает следующим образом. ВЧ напряжение по фидеру питания через согласующее устройство подается к зазору антенны. В антенне устанавливается распределение ВЧ тока такое, что антенна излучает в свободное пространство ЭВМ линейной поляризации с ориентацией вектора в каждой рамке параллельно диагонали квадратов, перпендикулярно оси симметрии антенны /4, стр. 80, рис. 45/.

Прототип, как и второй аналог, не требует самостоятельного симметрирующего устройства. Однако ввиду жесткого скрепления квадратных рамок в антенне прототип, хотя и имеет повышенную направленность по сравнению с аналогами, не позволяет изменять ширину диаграмм направленности (ДН) антенны, а следовательно, и коэффициент направленного действия (КНД).

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является задача создания самосимметрирующейся антенны с повышенным, по сравнению с аналогом и прототипом, КНД и с возможностью изменять ширину ДН в плоскости Н и КНД антенны.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является двухрамочная антенна с повышенным, по сравнению с аналогами и прототипом, КНД на 1,5 - 3 дБ, с возможностью регулирования этого КНД в пределах 1 - 2 дБ за счет изменения ширины ДН в плоскости Н и не имеющая симметрирующего устройства как отдельного конструктивного узла (функции симметрирования выполняет сама антенна).

Этот технический результат достигается тем, что в двухрамочной антенне, содержащей две одинаковых лежащих в одной плоскости трубчатых рамки периметром П_p≈ λ₀ каждая, где λ₀ - длина волны, соединенных между собой, и согласующее устройство, новым является то, что каждая трубчатая рамка имеет зазор, трубчатые рамки в месте их соединения касаются друг друга или соединены между собой трубчатой перемычкой разной длины, зазоры в трубчатых рамках расположены диаметрально противоположно месту их соединения так, что, линия, проходящая через середины зазоров, место соединения трубчатых рамок и ось трубчатой перемычки является осью симметрии антенны, перпендикулярно плоскости трубчатых рамок в месте их касания или в середине трубчатой перемычки установлено коаксиальное согласующее устройство, входом которого является коаксиальный разъем, а центральный проводник выхода удлинен внутрь полости трубчатых рамок или трубчатой перемычки, внутри половин каждой трубчатой рамки, расположенных с одной стороны оси симметрии антенны, 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 трубчатые рамки выполнены в виде колец, расстояние l между центрами колец трубчатых рамок выбирается равным D_к≅ l ≅ 0,58λ₀, где D_k - диаметр колец.

Новым является то, что параллельно зазорам к каждому кольцу трубчатых рамок подключены короткозамкнутые шлейфы длиной l_шл≈ λ₀/4, лежащие в плоскости колец трубчатых рамок вдоль оси симметрии антенны.

Новым является то, что каждая трубчатая рамка выполнена в форме одинаковых петлевых вибраторов, параллельных между собой, зазоры в трубчатых рамках выполнены посредине внешних трубчатых проводников рамок, трубчатая перемычка соединяет середины внутренних трубчатых проводников рамок, а расстояние l между центрами петлевых вибраторов по оси симметрии антенны выбирается равным l_ш≅ l ≅ 0,58λ₀, где l_ш - ширина каждого петлевого вибратора.

Совокупность существенных признаков заявляемого технического решения позволяет в двухрамочной антенне повысить КНД до 7 дБ, регулировать этот КНД в пределах до 2 дБ за счет изменения расстояния l между центрами рамок антенны и изменения ширины ДН антенны в плоскости Н и производить симметрирование распределения тока в плечах антенны самой двухрамочной антенной.

На фиг. 1 приведен эскиз двухрамочной антенны, кольца которой касаются друг друга; на фиг. 2 - эскиз двухрамочной антенны, кольца которой соединены между собой трубчатой перемычкой; на фиг. 3 - эскиз двухрамочной антенны, рамки которой имеют форму петлевых вибраторов; на фиг. 4 - эскиз соединения согласующего трансформатора с внутренними проводниками в рамках; на фиг. 5 - распределения ВЧ тока вдоль периметра кольцевых рамок и ориентация векторов относительно оси симметрии антенны.

Двухрамочная антенна фиг. 1 содержит две одинаковых трубчатых кольцевых рамки 1 и 2 диаметром D_к каждая, лежащих в одной плоскости, соединенных между собой в точках A, A' и имеющих зазоры 3 и 4 диаметрально противоположно точкам соединения, коаксиальное согласующее устройство 5, установленное перпендикулярно плоскости колец рамок в месте их соединения, внутренние проводники 6, 8 и 7, 9, проложенные внутри половин колец рамок, находящихся с одной стороны оси симметрии антенны, соединенные одними концами с центральным проводником выхода коаксиально согласующего устройства 5, а вторыми концами заканчивающиеся в точках B и C на срезах зазоров 3 и 4 рамок 1 и 2. Внутренние проводники 6, 8 и 7, 9 закреплены внутри половин рамок с помощью диэлектрических шайб 10 и 11 в рамке 1 и 12 и 13 в рамке 2. Концы внутренних проводников в точках B и C соединены проводниками 14 и 16 в зазорах рамок с металлическими пробками 15 и 17, закрепленными на срезах противоположных концов зазоров 3 и 4. Параллельно зазорам 3 и 4 подсоединены короткозамкнутые шлейфы 18 и 19, лежащие в плоскости колец рамок вдоль оси симметрии антенны. Ось симметрии антенны проходит через середины зазоров 3 и 4 и ось коаксиального согласующего устройства 5 и на фиг. 1 обозначена "ось симметрии".

Двухрамочная антенна фиг. 2 содержит две одинаковых кольцевых трубчатых рамки 20 и 21 диаметром D каждая, лежащие в одной плоскости, соединенные между собой трубчатой перемычкой 22 и имеющие зазоры 23 и 24 диаметрально противоположно точкам соединения рамок, коаксиальное согласующее устройство 25, установленное посредине трубчатой перемычки 22 перпендикулярно плоскости рамок, внутренние проводники 26, 28 и 27, 29, проложенные внутри половин рамок, находящихся с одной стороны оси симметрии антенны, и половин трубчатой перемычки 22, соединенные одними концами с центральным проводником выхода согласующего устройства 22, а вторыми концами заканчивающиеся в точках D и F на срезах зазоров 23 и 24 рамок 20 и 21. Внутренние проводники 26, 28 и 27, 29 закреплены внутри половин рамок с помощью диэлектрических шайб 30 и 31 в рамке 20 и 32 и 33 в рамке 21. Концы внутренних проводников в точках D и F соединены проводниками 34 и 36 в зазорах рамок с металлическими пробками 35 и 37, закрепленными на срезах противоположных концов зазоров 23 и 24. Ось симметрии антенны проходит через середины зазоров 23 и 24, ось трубчатой перемычки 22 и ось коаксиального согласующего устройства 25 и на фиг. 2 обозначена "ось симметрии".

Двухрамочная антенна фиг. 3 содержит две одинаковых кольцевых трубчатых рамки 38 и 39 в форме петлевых вибраторов шириной l_ш каждый, лежащих в одной плоскости параллельно друг другу, соединенных между собой трубчатой перемычкой 40 посередине внутренних проводников петлевых вибраторов и имеющих зазоры 41 и 42 посередине внешних проводников, так что ось симметрии антенны проходит через середины зазоров и ось трубчатой перемычки, коаксиальное согласующее устройство 43, установленное посередине трубчатой перемычки 40 перпендикулярно плоскости рамок, внутренние проводники 44, 46 и 45, 47, проложенные внутри половин рамок, находящихся с одной стороны оси симметрии антенны, и половин трубчатой перемычки 40, соединенные одними концами с центральным проводником выхода согласующего устройства, а вторыми концами заканчивающиеся в точках M и N на срезах зазоров 41 и 42 рамок 38 и 39. Внутренние проводники 44, 46 и 45, 47 закреплены внутри половин рамок с помощью диэлектрических шайб 48 и 49 в рамке 38 и 50 и 51 в рамке 39. Концы внутренних проводников в точках M и N соединены проводниками 52 и 54 в зазорах рамок с металлическими пробками 53 и 55, закрепленными на срезах противоположных концов зазоров 41 и 42. Ось симметрии антенны на фиг. 3 обозначена "ось симметрии".

На фиг. 4 приведен эскиз электрического соединения внутренних проводников рамок антенны с согласующим устройством. Здесь показаны трубчатая перемычка 56, внутри которой проложен внутренний проводник 57, закрепленный в полости перемычки с помощью диэлектрических шайб 58 и 59. Согласующее коаксиальное устройство 60 установлено посредине трубчатой перемычки 56 перпендикулярно плоскости рамок. Входом согласующего устройства является коаксиальный разъем 61, выход которого соединен со входом четвертьволнового согласующего трансформатора с центральным проводником 62. Этот проводник закреплен в корпусе согласующего устройства 60 с помощью диэлектрической шайбы 63. Выход центрального проводника 62 продлен внутрь полости перемычки 56 до соединения в точке Ф с внутренним проводником 57.

Двухрамочные антенны фиг. 1 - 3 работают следующим образом. ВЧ напряжение от коаксиальных разъемов согласующих устройств 5, 25 и 43, к которым оно подводится от передатчика по коаксиальному фидеру, подается через согласующий трансформатор 62 и внутренние проводники 6 и 7, 26 и 27, 44 и 45, к зазорам 3 и 4, 23 и 24, 41 и 42 в рамках. Эти половины рамок от коаксиальных согласующих устройств до зазоров работают как коаксиальные линии, в которых внешними проводниками являются корпуса рамок 1 и 2, 20 и 21, 38 и 39. Каждый внутренний проводник этих коаксиальных линий соединен в зазорах проводниками 14 и 16, 34 и 36, 52 и 54 с противоположными концами зазоров рамок в металлических пробках 15 и 17, 35 и 37, 53 и 55. Зазоры рамок 3 и 4, 23 и 24, 41 и 42 являются точками питания каждой рамки в антенне.

Далее работа двухрамочной антенны иллюстрируется с помощью электрической схемы антенны фиг. 5. Здесь две трубчатых кольцевых рамки 64 и 65, лежащие в одной плоскости, соединены между собой трубчатой перемычкой 66, посередине которой установлено коаксиальное согласующее устройство 67, имеют зазоры П и П' диаметрально противоположно местам соединения рамок в точках R и R'. Ось симметрии антенны проходит через середины зазоров П и П' и точки R и R'.

Зазоры П и П' являются точками питания каждой из рамок. От точек питания ВЧ ток по обеим половинкам каждой рамки (64 и 68 верхней рамки и 65 и 69 нижней рамки) растекается как по двухпроводной линии, проводники которой 64 и 68 и 65 и 69 выполнены в форме полуколец, так что оба проводника каждой линии 64 и 68, 65 и 69 составляют кольца с зазорами П и П'. В точках R и R', диаметрально противоположных точкам питания, каждая из линий замкнута накоротко и находится под нулевым потенциалом, так что каждая двухпроводная линия работает в режиме короткого замыкания (кз) в точках R и R'.

В точках кз двухпроводной линии устанавливаются пучности тока, а по периметру каждой рамки устанавливается косинусоидальное распределение тока /7/ в две полуволны, вторые пучности устанавливаются в точках питания П и П'; узлы тока располагаются в точках K и K' верхней рамки и L и L' нижней рамки. Эти точки расположены на диаметрах KK' и LL', перпендикулярных оси симметрии антенны. Распределения тока вдоль периметров рамок на фиг. 5 показаны пунктирными линиями, а направления токов в текущий момент времени вдоль периметров рамок показаны стрелками с обозначениями I для верхней рамки и I' для нижней. Во всех пучностях ввиду симметрии рамок амплитуды токов равны I_mn = I'_mn, где индексы "m" означают амплитуду, "n" - пучность. Благодаря такому распределению токов I и I' вдоль периметров рамок и направлению их в текущий момент времени, каждая из рамок излучает поле линейной поляризации в котором направление вектора электрической напряженности в пространстве совпадает с направлениями токов I и I'. Плоскости, в которых лежат электрические векторы каждой рамки, перпендикулярны плоскостям рамок и проходят через диаметры KK' и LL'. Ориентация векторов каждой рамки в пространстве относительно рамок на фиг. 5 показана стрелками с обозначениями а плоскости, в которых расположены эти векторы, обозначены "пл. Е" и "пл. Eʹ. Векторы напряженности магнитного поля ориентированы в пространстве перпендикулярно векторам и на фиг. 5 так же показаны стрелками с обозначениями Таким образом, каждая из рамок в антенне излучает поле линейной поляризации в главном направлении с ориентацией векторов параллельно диаметрам KK' и LL' и лежащими в плоскостях, перпендикулярных плоскости рамок, и проходящими через эти диаметры. Максимум излучения в главном направлении каждой рамки находится в этих плоскостях на осях рамок (точки O и O' пересечения векторов ). В направлениях в пространстве, не совпадающим с главным направлением, могут появиться небольшие ортогональные составляющие векторам которые практически не сказываются на линейности поляризации излучаемого поля.

Следовательно, каждую из рамок в двухрамочной антенне по отношению к характеристикам излучения можно представить эквивалентным линейным излучателям, параллельным диаметрам KK' и LL', лежащим в плоскости рамок вдоль этих диаметров и излучающим поле линейной поляризации с ориентацией вектора вдоль этих диаметров. Тогда саму двухрамочную антенну фиг. 5 можно представить в виде двух эквивалентных линейных излучателей, питаемых параллельно и синфазно от коаксиального разъема согласующего устройства 67, лежащих в плоскости рамок на расстоянии l друг от друга и образующих синфазную решетку в плоскости H из двух линейных излучателей. Осью излучения антенны является линия, проходящая через ось коаксиального согласующего устройства, перпендикулярно оси симметрии антенны и плоскости рамок. Излучаемые линейными излучателями решетки поля параллельны, одинаковы по амплитуде и синфазны. При распространении эти поля интерферируют между собой и дают максимум излучения по оси излучения, которая является направлением максимума главного лепестка антенны. Плоскость вектора двухрамочной антенны лежит в плоскости, проходящей через направление максимума главного лепестка антенны перпендикулярно оси симметрии антенны, на фиг. 5 эта плоскость обозначена "пл. E_max", плоскость вектора перпендикулярна плоскости E_max проходит через ось симметрии антенны.

Так как точки из R и R' находятся под нулевым потенциалом, то вся перемычка 66 находится также под нулевым потенциалом, поэтому она может быть соединена с любой металлической несущей конструкцией без нарушения распределения токов I и I' вдоль периметра рамок, без изменения линейности поляризации и ориентации векторов в пространстве и без влияния на ДН двухрамочной антенны.

Подключаемые параллельно зазорам 3 и 4 фиг. 1 короткозамкнутые шлейфы 18 и 19 используются для компенсации реактивных сопротивлений на входе каждой рамки (в точках питания рамок П и П' фиг. 5) и используются при необходимости. Расположенные вдоль оси симметрии антенны перпендикулярно векторам эти короткозамкнутые шлейфы не влияют на распределения токов I и I' вдоль периметров рамок и на характеристики излучения антенны.

Трубчатые рамки могут быть изготовлены из любой трубки, например латунных трубок типов "Труба ДКНРМ 8x1 ОЛ63 ГОСТ 494-75" или "Труба ДКНРМ 10 x 1 ОЛ63 ГОСТ 494-75". Рекомендуемый наружный диаметр трубки D_ср ≅ 0,1 D_к, где D_к - средний диаметр кольца рамки.

В качестве коаксиальных разъемов может быть использован любой высокочастотный коаксиальный промышленный разъем, например, СР50-150Ф, или СР50-73Ф.

В качестве внутренних проводников 6 и 7, 26 и 27, 44 и 45 фиг. 1 - 3 лучше всего использовать отрезок радиочастотного кабеля, например РК50-2-22 или РК 50-4-21, со снятой наружной изоляцией, при этом наружная оплетка кабеля соединяется электрически с внутренней поверхностью трубки, а внутренний проводник соединяется с внутренним проводником коаксиального согласующего устройства.

Металлические пробки 15 и 17, 35 и 37, 53 и 55 могут быть изготовлены из латунных прутков любой марки, например, ЛС-69-1 ГОСТ 15527-74.

Диэлектрические шайбы 10 и 11, 12 и 13, 30 и 31, 32 и 33, 48 и 49, 50 и 51 фиг. 1 - 3 могут быть изготовлены из любого высокочастотного диэлектрика, например фторопласта ФТ-4.

В целях подтверждения осуществляемости заявляемой двухрамочной антенны изготовлен макет антенны на кольцевых рамках со следующими данными: - рабочая частота f₀ = 482 мГц; - длина волны в свободном пространстве λ₀= 0,62 м; - средний диаметр колец рамок D_к= 0,20 м = λ₀/π ( π = 3,14159...); - в точке соединения рамки касаются друг друга; - расстояние между центрами колец по оси симметрии антенны l = λ₀/π = 0,20 м; - ширина зазоров в точках питания Δ l_з = 10 мм.

Рамки антенны изготовлены из трубки "Труба ДКНРМ 10 x 1 ОЛ63 ГОСТ 494-75". В качестве внутреннего проводника использован кабель РК50-4-21 со снятой внешней изоляцией.

Покажем, что предлагаемая двухрамочная антенна имеет повышенный, по сравнению с аналогами и прототипом, КНД, который можно изменять в пределах до 2 дБ за счет изменения расстояния l между центрами рамок антенны и что симметрирование распределения тока по периметру антенны выполняется самой конструкцией рамок.

Так как каждая рамка в антенне между точками питания П и П' и точками R и R' представляет собой короткозамкнутую двухпроводную линию (см. фиг. 5) с проводниками одинаковой длины (половины рамок 64 и 68, 65 и 69 на фиг. 5), то распределение тока на каждой половине рамок всегда автоматически устанавливается симметричным относительно точек питания П и П' - зазоров в рамках. Следовательно, каждая рамка устанавливает вдоль периметра симметричное распределение тока, и симметрирующего устройства, как отдельного конструктивного узла, в ней не требуется.

ДН отдельной кольцевой рамки для электрической составляющей поля в плоскостях H и E описываются выражениями /9, стр. 45/
где A - постоянный множитель; Φ - азимутальный угол (в плоскости H); Θ - меридиональный угол (в плоскости E), отсчитываемой от оси рамки; I₁(kRsinΘ - функция Бесселя первого рода первого порядка; I'₁(kRsinΘ - производная функция Бесселя по аргументу; R - средний радиус кольца рамки; к = 2π/λ₀; λ₀ - длина волны.

Расчет КНД по этим формулам дает значение КНД для одиночной рамки /9, стр. 47/ D_pmax = 2,5 или D_pmax = 3,98 - 4 дБ. Для сравнения приведем максимальный КНД петлевого вибратора /3, стр. 8/; D_bmax = 1,64 или D_вmax = 2,15 дБ и максимальный КНД прототипа /3, стр. 16, рис. 9/; D_зmax = 2,2 или D_зmax = 3,4 дБ (индекс "р" означает рамка, "в" - вибратор, "з" - зигзагообразная антенна-прототип). Таким образом, в предлагаемой двухрамочной антенне направленность только одиночной рамки выше направленности петлевого вибратора на 1,85 дБ и прототипа на 0,6 дБ.

Согласно фиг. 5 двухрамочная антенна в отношении направленности (величины КНД) эквивалента синфазной двухэлементной решетке в плоскости H. У такой решетки ДН в плоскости E остается одинаковой с ДН одиночного излучателя, а ДН в плоскости H изменяется и оказывается равной /10, стр. 20; 11, стр. 66/
F_н(Θ,Φ) = F₁(Θ,Φ)•F_n(Θ,Φ) (3)
где F_н(Θ,Φ) - ДН решетки в плоскости H;
F₁(Θ,Φ) - ДН одиночной рамки в плоскости H;
F_n(Θ,Φ) - множитель решетки в плоскости H.

Для определения КНД двухрамочной антенны, как синфазной двухэлементной решетки в плоскости H, необходимо проанализировать только ДН решетки в плоскости H, так как ДН в плоскости E остается такой же, как и у одиночного эквивалентного излучателя, т. е. в плоскости E направленность антенны не изменяется.

Для расчета КНД используют нормированные ДН. Нормированная ДН одиночной рамки получается из формулы (1), если положить в ней A и I'₁ (kRsin Θ ) постоянными величинами
E^н= F^н₁(Φ) = cosΦ (4)
где индекс "н" означает нормированную ДН.

Максимальный КНД D_max решетки в направлении максимума главного лепестка оценивается /1, стр. 83; 12, стр. 49/;

где 2Φ_0,5 и 2Θ_0,5 - раствор нормированных ДН по уровню половинной мощности или по уровню 0,707 поля.

Подставив в формулу (4) cos Φ = 0,707, найдем раствор нормированной ДН одиночной рамки в плоскости H по уровню половинной мощности
2Φ_0,5= 2arccos0,707 = 2•45°= 90° (6)
Подставим в формулу (5) 2Φ_0,5= 90° и D_max = 2,5, найдем раствор нормированной ДН в плоскости E одиночной рамки по уровню половинной мощности

Такой же раствор 2Θ_0,5= 147° нормированной ДН в плоскости E остается и в двухрамочной антенне, как решетке в плоскости H, так как в плоскости E ДН не изменяется.

Для определения ДН (3) решетки в плоскости H нужно найти множитель решетки F_п(Φ), где n = 2. Этот множитель в плоскости H равен /11, стр. 72/ для двух элементов, питаемых синфазно:

где к = 2π/λ₀; λ₀ - длина волны
l - расстояние между параллельными излучателями в решетке;
Φ - азимутальный угол в плоскости H.

Нормированный множитель решетки F^н₂(Φ) получается путем деления F₂(Φ) формулы (8) на F₂(Φ)_max= 2 и равен

Подставим в формулу (3) F^н₁(Φ) из (4) и F^н₂(Φ) из (9), получим нормированную ДН двухрамочной антенны в плоскости H

Формулы (5) и (10) позволяет найти КНД D_max двухрамочной антенны как решетки, так как раствор 2Φ_0,5= 147°, а раствор 2Φ_0,5 при разных значениях l можно найти по формуле (10).

Максимальное расстояние l между центрами рамок, как эквивалентными линейными излучателями, при котором еще не формируются боковые дифракционные лепестки, определяется
/10, стр. 21/

где ϑ_max - максимальный угол отклонения направления главного лепестка антенны от ее оси. Положим для определенности ϑ_max= 45°, находим l_max≅ λ₀/1.7. Так как диаметр колец рамок D_к выбирается равным D_к= λ₀/π, то расстояние l между центрами рамок по оси симметрии антенны может меняться в пределах

Для этих крайних значений l нормированные ДН (10) имеют вид


Положив в формуле (13) F^н_н(Φ) = 0,707, находим Φ_0,5= 38°, 2Φ_0,5= 76°

Положив в формуле (10) F^н_н(Φ) = 0,707, находим Φ_0,5= 23,5°, 2Φ_0,5= 47°

Формула (11) позволяет увеличить максимальное расстояние l между центрами рамок в двухрамочной антенне до l = λ₀, если положить в ней ϑ_max= 0 и sinϑ_max= 0. При увеличении l от l = λ₀/1.7 до l = λ₀ КНД антенны D_max будет увеличиваться до предельного значения D_max = 7 дБ, а далее, за счет появления боковых дифракционных лепестков КНД начнет уменьшаться. Однако и при изменении расстояния l между центрами рамок в пределах КНД, во-первых, принимает достаточно высокое значение D_max2 = 6,8 дБ, во-вторых, можно изменять КНД от 4,7 дБ до 6,8 дБ в пределах до 2 дБ.

Таким образом, в предлагаемой двухрамочной антенне КНД в направлении максимума излучения может изменяться от 4,7 дБ до 6,8 дБ, но в любом случае он оказывается выше, чем у аналогов и прототипа.

Приведенный анализ доказывает, что предлагаемая двухрамочная антенна отвечает критериям новизна и изобретательский уровень, является техническим решением, технически реализуется и может быть использована в качестве приемопередающих антенн различных радиотехнических систем, например, как приемная телевизионная антенна.

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

2. К. Ротхаммель. Антенны, М., Энергия, 1969.

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

4. И.П. Онищенко. Приемные телевизионные антенны, М., ДОСААФ, 1989.

5. Г.Т. Марков. Антенны, М., Госэнергоиздат, 1960.

6. Л. Н. Лук, А.К. Нечай. Рамочная одновитковая антенна. А.с. N 1069036 от 10.07.81, H 01 Q 7/08. Опубл. 23.01.89, Бюл. N 3.

7. А. И. Астайкин, А.П. Помазков. Рамочная одновитковая антенна. А.с. N 1554712 от 20.07.88, H 01 Q 7/08, опубл. 27.08.97, Бюл. N 24.

8. Е. Н. Васильев, А.А. Фалунин "Взаимное сопротивление антенн в виде круглых соосных рамок". В сб. "Доклады НТК за 1964-65 гг. Секция радиотехническая". М., МЭИ, 1965 г., стр. 35 - 43.

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

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

11. А.Л. Драбкин, В.Л. Зубенко, А.Г. Кислов. АФУ, М., Сов. Радио, 1974.

12. Р. Кюн. Микроволновые антенны (Антенны СВЧ), М., Судостроение, 1967.

Формула изобретения

1. Двухрамочная антенна, содержащая две одинаковых лежащих в одной плоскости трубчатых рамки периметром П_p ≈ λ_o каждая, где λ_o - длина волны, соединенных между собой, и согласующее устройство, отличающаяся тем, что каждая трубчатая рамка имеет зазор, трубчатые рамки в месте их соединения касаются друг друга или соединены между собой трубчатой перемычкой, зазоры в трубчатых рамках расположены диаметрально противоположно месту их соединения так, что линия, проходящая через середины зазоров, место соединения трубчатых рамок и ось трубчатой перемычки является осью симметрии антенны, перпендикулярно плоскости трубчатых рамок в месте их касания или в середине трубчатой перемычки установлено коаксиальное согласующее устройство, входом которого является коаксиальный разъем, а центральный проводник выхода удлинен внутрь полости трубчатых рамок или трубчатой перемычки, внутри половин каждой трубчатой рамки, расположенных с одной стороны оси симметрии антенны 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. Двухрамочная антенна по п.1, отличающаяся тем, что трубчатые рамки выполнены в виде колец, расстояние между центрами колец трубчатых рамок выбирается равным D_к≅ l ≅ 0,58λ_o, где D_к - диаметр колец.

3. Двухрамочная антенна по п.2, отличающаяся тем, что параллельно зазорам к каждому кольцу трубчатых рамок подключены короткозамкнутые шлейфы длиной l_шл≈ λ_o/4, лежащие в плоскости колец трубчатых рамок вдоль оси симметрии антенны.

4. Двухрамочная антенна по п.1, отличающаяся тем, что каждая трубчатая рамка выполнена в форме петлевых вибраторов, параллельных между собой, зазоры в трубчатых рамках выполнены посредине внешних трубчатых проводников рамок, трубчатая перемычка соединяет середины внутренних трубчатых проводников рамок, а расстояние l между центрами петлевых вибраторов по оси симметрии антенны выбирается равным l_ш≅ l ≅ 0,58λ_o, где l_ш - ширина каждого петлевого вибратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5