Широкополосная петлевая антенна

 

Изобретение относится к антенной технике, а именно к широкополосным петлевым антеннам, и может использоваться в радиосвязи, радионавигации, радиопеленгации, телевидении и радиовещании. Техническим результатом является уменьшение частотной зависимости импеданса антенны и повышение ее чувствительности. Сущность изобретения заключается в том, что оно содержит две проводящие петли, расположенные в одной плоскости и ориентированные своими концами навстречу друг другу, две идентичные проводящие дугообразные перемычки, расположенные в плоскости петель и направленные выпуклостью внутрь петель, согласующий трансформатор, имеющий два противофазных входа, соединенных с первыми концами петель, и цепочку из последовательно соединенных резистора и катушки индуктивности, включенных между вторыми концами первой и второй петель, при этом концы первой и второй перемычек соединены с проводниками первой и второй петель на расстояниях соответственно (0,08-0,12)Р и (0,32-0,48)Р от первых концов петель, где Р - периметр отдельной петли. 5 з. п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к антенной технике, а именно к широкополосным петлевым антеннам, и может найти применение в радиосвязи, радионавигации, радиопеленгации, телевидении и радиовещании.

Известна широкополосная петлевая антенна с кардиоидной диаграммой направленности [1] , состоящая из двух металлических ленточных полукольцевых элементов, верхние концы которых соединены через резистор, (резистор и полукольца образуют кольцевую петлю), а нижние подключены к входу антенного усилителя. Величина резистора равна удвоенному волновому сопротивлению петли. Диаметр петли равен 46 см, ширина ленточных элементов - 5 см. Антенна работает в полосе частот 46-230 МГц. Сильная частотная зависимость импеданса кольцевой петли в низкочастотной части рабочего диапазона ухудшает согласование петли со входом усилителя и снижает чувствительность антенны.

Наиболее близкой к заявляемому устройству по наибольшему числу существенных признаков является петлевая антенна [2], содержащая две идентичные проводниковые петли, расположенные в одной плоскости и ориентированные своими концами навстречу друг другу, с периметром каждой петли, не превышающим минимальную рабочую длину волны, два резистора, согласующий трансформатор, имеющий два противофазных входа, и антенный усилитель. Резисторы соединены последовательно и подключены к верхним концам петель. Концы первичной обмотки согласующего трансформатора соединены с нижними концами петель, а средняя точка первичной обмотки - с местом соединения резисторов между собой. Выходная обмотка согласующего трансформатора подключена ко входу усилителя. Выход усилителя является выходом антенны. При оптимальном соотношении противофазного и синфазного токов, наводимых в петлях падающей электромагнитной волной, обеспечивается кардиоидная диаграмма направленности. Необходимое соотношение токов обеспечивается выбором определенных геометрических размеров петель и величин сопротивлений резисторов.

Недостатком прототипа является сильная частотная зависимость в низкочастотной части рабочего диапазона импеданса на выходе согласующего трансформатора, подключенного ко входу усилителя, что ухудшает условия согласования на входе усилителя и снижает чувствительность антенны.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение, - уменьшение частотной зависимости импеданса антенны и повышение ее чувствительности.

Это достигается тем, что в широкополосную петлевую антенну, содержащую две проводящие петли, расположенные в одной плоскости и ориентированные своими концами навстречу друг другу, согласующий трансформатор, имеющий два противофазных входа, соединенных с первыми концами первой и второй петель, и резистор, соединенный своим первым выводом со вторым концом первой петли, дополнительно введены катушка индуктивности, включенная между вторым выводом резистора и вторым концом второй петли, и две идентичные проводящие дугообразные перемычки. Указанные перемычки расположены в плоскости петель и направлены выпуклостью внутрь петель, при этом концы первой и второй перемычек соединены с проводниками первой и второй петель на расстояниях соответственно (0,08-0,12)Р и (0,32-0,48)Р от первых концов петель, где Р - периметр отдельной петли.

Для снижения частотной зависимости импеданса антенны и улучшения ее согласования с нагрузкой (в качестве которой могут выступать вход усилителя, приемный тракт), длину перемычек выбирают в пределах (0,24-0,36)Р при длине периметра отдельной петли, выбираемой в пределах 0,5-1,1 минимальной рабочей длине волны.

Для повышения эффективности антенны и улучшения ее согласования с нагрузкой индуктивность катушки, измеренная в мкГн, выбирается в пределах (0,08-0,12)ρ/f_max, где ρ - волновое сопротивление проводника петли, f_max - частота, соответствующая минимальной рабочей длине волны антенны, а сопротивление резистора выбирается в пределах (0,8-1,2)ρ.

Для повышения эффективности антенны, определяемой в том числе и площадью петли, последние выполнены в форме окружности.

Для повышения технологичности изготовления антенны петли и перемычки выполнены из проводящих трубок одинакового диаметра, при этом перемычки выполнены в форме дуг окружности с радиусом, равным радиусу петель.

Для непосредственного подключения антенны к несимметричному фидеру согласующий трансформатор выполнен с несимметричным выходом, являющимся выходом антенны.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемой широкополосной петлевой антенны.

На чертеже обозначено: 1 и 2 - первая и вторая проводниковые петли; 3 и 4 - первая и вторая проводящие перемычки; 5 - резистор; 6 - катушка индуктивности; 7 - согласующий трансформатор; 8 - выход антенны.

Широкополосная петлевая антенна, схема которой приведена на чертеже, работает следующим образом. Антенна принимает сигналы линейной поляризации, у которых вектор поляризации электрического поля параллелен плоскости расположения петель. Электромагнитное поле наводит в петлях ЭДС, под действием которой через концы петель протекают синфазные и противофазные относительно указанных концов петель токи, которые далее поступают на вход согласующего трансформатора. В трансформаторе принятые сигналы складываются в противофазе и поступают на выход трансформатора, являющегося выходом антенны. При равенстве величин синфазных и противофазных токов и отсутствия сдвига фаз между ними обеспечивается кардиоидная диаграмма направленности антенны. Выполнение этого условия обеспечивается выбором геометрических размеров петель и перемычек, а также величин сопротивления резистора и индуктивности катушки. Так, выбор периметра петель не более 1,1 минимальной рабочей длины волны антенны, длины перемычек в пределах (0,24-0,36) Р, сопротивления резистора в пределах (0,8-1,2)ρ и индуктивности катушки (в мкГн) в пределах (0,08-0,12)ρ/f_max, позволяет выровнять синфазный и противофазный токи по амплитуде и фазе и обеспечить кардиоидную диаграмму направленности с уровнем нуля не менее -10 дБ в полосе частот около двух октав.

Присоединение перемычек к проводникам петель уменьшает волновое сопротивление участков петель вблизи их первых концов и, вследствие этого, уменьшает частотную зависимость импеданса на входе согласующего трансформатора. Использование перемычек позволяет также уменьшить в два раза величину используемого резистора и за счет этого уменьшить уровень тепловых шумов на выходе антенны.

Расположение перемычек так, что концы первой и второй перемычек соединены с проводниками первой и второй петель на расстояниях соответственно (0,08-0,12)Р и (0,32-0,48)Р от первых концов петель, и использование согласующего трансформатора с коэффициентом трансформации 4:1 обеспечивает коэффициент стоячей волны по напряжению на выходе согласующего трансформатора в тракте с волновым сопротивлением 75 Ом не более двух в рабочей полосе частот. Таким образом, предлагаемая широкополосная петлевая антенна может применяться без антенного усилителя, поскольку одна из основных функций последнего обеспечивать согласование антенны с фидером.

Работоспособность и преимущества заявляемого устройства по сравнению с антенной-прототипом были подтверждены испытаниями макета широкополосной петлевой антенны с кардиоидной диаграммой направленности.

Макет антенны работал в полосе частот 48-230 МГц и имел коэффициент защитного действия 15 дБ, коэффициент стоячей волны по напряжению не превышал 1,8. Габариты составляли 900х300х30 мм³.

Предлагаемая широкополосная петлевая антенна обеспечивает высококачественный прием телевизионных сигналов как в городе, имеющем передающий центр, так и в его пригороде на удалении до 30 км.

Источники информации 1. Gibson J. J., Wilson R. M. The mini - tate - a small television antenna. Monit./Proc. IEEE Austral., 1977, 38, 6,109 - 124.

2. Полезная модель РФ 6090, МКИ Н 01 Q 23/00. Активная широкополосная петлевая антенна. Опубл. 16.02.98. Бюлл. 2 - прототип.

Формула изобретения

1. Широкополосная петлевая антенна, содержащая две проводящие петли, расположенные в одной плоскости и ориентированные своими концами навстречу друг другу, согласующий трансформатор, имеющий два противофазных входа, соединенных с первыми концами первой и второй петель, и резистор, соединенный своим первым выводом со вторым концом первой петли, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены катушка индуктивности, включенная между вторым выводом резистора и вторым концом второй петли, и две идентичные проводящие дугообразные перемычки, расположенные в плоскости петель и направленные выпуклостью внутрь петель, при этом концы первой и второй перемычек соединены с проводниками первой и второй петель на расстояниях соответственно (0,08-0,12)Р и (0,32-0,48)Р от первых концов петель, где Р - периметр отдельной петли.

2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что сопротивление резистора выбирают в пределах (0,8-1,2)ρ, а индуктивность катушки - в пределах (0,08-0,12)ρ/fmax, мкГн, где ρ - волновое сопротивление проводника петли, Ом; fmax - частота, соответствующая минимальной рабочей длине волны антенны, МГц.

3. Антенна по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что периметр петли выбирают в пределах 0,5-1,1 минимальной рабочей длины волны антенны, а длину перемычек - в пределах (0,24-0,36)Р.

4. Антенна по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что петли выполнены в форме окружности, а перемычки выполнены в форме дуг окружности с радиусом, равным радиусу петель.

5. Антенна по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что петли и перемычки выполнены из проводящих трубок одинакового диаметра.

6. Антенна по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что согласующий трансформатор выполнен с несимметричным выходом, являющимся выходом антенны.

РИСУНКИ

Рисунок 1