Полиромбическая антенна (варианты)

Изобретение предназначено для использования в составе радиотехнических устройств для телевидения, радиовещания и радиосвязи в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн. Техническим результатом является увеличение коэффициента усиления и коэффициента полезного действия. Для этого предлагается полиромбическая антенна, содержащая первую и вторую ромбические антенны, состоящие из проводов, расположенных вдоль сторон ромба и нагруженных на общее активное сопротивление, равное половине волнового сопротивления ромба, а также первую и вторую двухпроводные линии питания. При этом первая ромбическая антенна подключена к первой линии питания, вторая ромбическая антенна - ко второй линии питания. Точки подключения линий питания расположены в одной плоскости с точками подключения активного сопротивления на одинаковом расстоянии от биссектрисы угла взаимного наклона плоскостей ромбических антенн. Со стороны, противоположной вершине угла, первая и вторая двухпроводные линии питания объединяются в одну двухпроводную линию так, чтобы расстояния вдоль первой и второй линий питания от точки объединения до точек подключения первой и второй ромбических было одинаковым. Вдоль двухпроводных линий питания могут быть подключены пары ромбических антенн, плоскости ромбов которых параллельны плоскостям первой и второй ромбических антенн, так, чтобы активные сопротивления располагались на одной прямой. Во втором варианте выполнения пары ромбических антенн нагружены на согласованную с ними двухпроводную линию, к концам которой подключены активные сопротивления, равные ее волновому сопротивлению. Линейные размеры пар ромбических антенн могут изменяться от одной пары к другой по закону геометрической прогрессии. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 14 ил.

 

Изобретение предназначено для использования в составе радиотехнических устройств для телевидения, радиовещания и радиосвязи в сантиметровом и дециметровом диапазонах волн.

Известна двухромбическая антенна [1], содержащая две ромбические антенны, каждая из которых состоит из проводов, расположенных вдоль сторон ромба, нагруженных на активное сопротивление, равное волновому сопротивлению ромба и линии питания.

Недостатком такой антенны является сравнительно низкий коэффициент направленного действия, невысокая широкополосность, определяемая малой длиной проводов вдоль общего периметра антенны.

Известна объемная ромбическая антенна [2], состоящая из пар или четверок ромбических антенн, позволяющая получить высокую направленность и широкополосность. Однако в такой антенне на каждую ромбическую антенну приходится отдельное активное сопротивление, что приводит к снижению коэффициента полезного действия (КПД) объемной ромбической антенны при увеличении числа пар (четверок) ромбических антенн. В результате не удается получить большого коэффициента усиления.

Целью изобретения является увеличение коэффициента усиления и коэффициента полезного действия антенны.

Для этого предлагается полиромбическая антенна, содержащая первую и вторую ромбические антенны, состоящие из проводов, расположенных вдоль сторон ромба и нагруженных на общее активное сопротивление, равное половине волнового сопротивления, а также первую и вторую двухпроводные линии питания. При этом первая ромбическая антенна подключена к первой линии питания, вторая ромбическая антенна - ко второй линии питания. Точки подключения к первой и второй линиям питания расположены на одинаковом расстоянии от биссектрисы угла взаимного наклона плоскостей ромбических антенн. Со стороны, противоположной вершине угла, первая и вторая двухпроводные линии питания объединяются в одну двухпроводную линию так, чтобы расстояния вдоль первой и второй линий питания от точки объединения до точек подключения первой и второй ромбических было одинаковым.

Вдоль двухпроводных линий питания могут быть подключены пары ромбических антенн, плоскости ромбов которых параллельны плоскостям первой и второй ромбических антенн, так, чтобы активные сопротивления располагались на одной прямой.

Второй вариант полиромбической антенны предполагает, что отдельные активные сопротивления могут быть заменены единой для всех пар ромбических антенн и согласованной с ними двухпроводной нагрузочной линией, к концам которой подключены активные сопротивления, равные ее волновому сопротивлению.

Линейные размеры пар ромбических антенн могут изменяться от одной пары к другой по закону геометрической прогрессии.

Изобретение поясняется чертежами, на которых

- фиг.1 - полиромбическая антенна из двух ромбов;

- фиг.2 - подключение полиромбической антенны к линиям питания;

- фиг.3 - полиромбическая антенна из пар ромбических антенн с отдельными активными сопротивлениями;

- фиг.4 - полиромбическая антенна (второй вариант).

Полиромбическая антенна (фиг.1) содержит первую ромбическую антенну, состоящую из проводов 1-2-3-4-5-6, расположенных вдоль сторон ромба, и вторую ромбическую антенну из проводов 7-8-3-4-9-10, совместно нагруженных на сопротивление 11, равное половине волнового сопротивления ромбов. Первая ромбическая антенна подключена в точках 1 и 6 к проводам двухпроводной линии питания 12 (фиг.2). Вторая ромбическая антенна подключена в точках 7 и 10 к двухпроводной линии питания 13. Плоскости первой и второй ромбических антенн взаимно наклонены, причем двухпроводные линии питания 12 и 13 расположены симметрично относительно биссектрисы угла наклона. Со стороны, противоположной вершине угла, в точках 15, 16 двухпроводные линии 12 и 13 объединяются в двухпроводную линию 14 так, чтобы длины отрезков 15-1, 16-6, 15-7 и 16-10 были равны.

В дополнение к первой 17 и второй 18 ромбическим антеннам вдоль двухпроводных линий питания 32 и 33 к точкам 25 и 27 и соответственно 26 и 28 (фиг.3) могут быть подключены пары ромбических антенн 19 и 21, а так же одновременно 20 и 22, плоскости ромбов которых параллельны плоскостям первой 17 и второй 18 ромбических антенн, подключенных к точкам 23 и 24 соответственно. Таких подключенных пар ромбических антенн может быть несколько.

Во втором варианте полиромбической антенны вместо отдельных активных сопротивлений 29, 30 и 31 (фиг.3) в качестве нагрузки можно использовать двухпроводную линию 34 (фиг.4), согласованную с парами ромбических антенн в точках их подключения. К концам нагрузочной двухпроводной линии подключены активные сопротивления 36 и 37, равные ее волновому сопротивлению.

При этом линейные размеры от 17, 18 к 19, 20 и к 21, 22 и так далее, а так же расстояния между точками их подключения вдоль двухпроводных линий питания между 23, 25 и 27, а так же 24, 26 и 28 могут изменяться от одной пары к другой по закону геометрической прогрессии.

Полиромбическая антенна работает следующим образом: при подключении высокочастотного генератора к двухпроводной линии питания 14 (не показан) вдоль проводов ромба 1-2-3-4-5-6 и 7-8-3-4-9-10 образуется бегущая волна тока.

Диаграмма направленности поля излучения каждого отдельного провода имеет воронкообразную форму. Ее сечение плоскостью, проходящей через ось провода, имеет форму двух лепестков, лежащих по обе стороны провода и отклоненных от его оси на угол α в направлении распространения бегущей волны. При определенных соотношениях между длиной электромагнитной волны λ₀, длиной провода образующего сторону первой ромбической антенны, и половиной тупого угла ϕ=90-α максимумы диаграммы направленности 1-2-3-4-5-6, лежат в плоскости, перпендикулярной плоскости первой ромбической антенны, проходящей через продольную диагональ ромба, и смещены на угол θ₀ в эту и другую стороны от плоскости антенны. При этом, в частности, для ℓ от 1.5λ₀ до 0.5/λ₀ угол , а для ℓ, больших 1.5λ₀ угол Такие же два главных лепестка диаграммы направленности, отклоненные от плоскости антенны, формируются и второй ромбической антенной 7-8-3-4-9-10.

Волна тока проходит от генератора до первой и второй ромбических антенн одинаковое расстояние, поэтому первая и вторая ромбические антенны возбуждаются синфазно. Следовательно, при взаимном наклоне плоскостей первой и второй ромбических антенн 1-2-3-4-5-6 и 7-8-3-4-9-10 под углом 2θ₀ их поля излучения складываются в фазе в направлении биссектрисы угла взаимного наклона антенн и формируют главный лепесток диаграммы направленности полиромбической антенны. С каждой стороны от главного лепестка в плоскости продольных диагоналей формируются боковые лепестки диаграммы, меньшие по уровню относительно главного, по крайней мере, вдвое. Поляризация поля излучения в этом случае ортогональна плоскости продольных диагоналей, проходящей через середину линий питания 12 и 13 и сопротивления 11 (фиг.1).

Первая и вторая ромбические антенны оказывают друг на друга взаимное влияние, поскольку они нагружены на общее активное сопротивление, и один из двух главных лепестков первой ромбической антенны направлен в сторону второй ромбической антенны, а один из двух главных лепестков второй ромбической антенны направлен в сторону первой ромбической антенны. Это приводит к тому, что главный лепесток диаграммы направленности полиромбической антенны становится более узким по сравнению с объемной ромбической антенной тех же размеров, а КНД увеличивается.

Наличие общего активного сопротивления на пару ромбических антенн, а также их взаимное влияние приводит к увеличению коэффициента полезного действия (КПД) полиромбической антенны.

Подключение вдоль двухпроводных линий питания 32, 33 (фиг.3) в дополнение к первой 17 второй 18 ромбическим антеннам пар ромбических антенн 19 и 20, 21 и 22, а так же последующих приводит к сложению полей излучения этих антенн на линейной поляризации в направлении распространения волны тока вдоль 32, 33 и биссектрисы угла взаимного наклона, поскольку скорость распространения волны тока в 32, 33 незначительно отличается от скорости распространения электромагнитной волны в свободном пространстве от 17 к 19, 18 к 20 и далее.

Использование в качестве нагрузки вместо отдельных активных сопротивлений 29, 30 и 31 (фиг.3) двухпроводной линии 35 (фиг.4), согласованной с парами ромбических антенн в точках их подключения, приводит к увеличению взаимовлияния между ромбическими антеннами и увеличению КПД полиромбической антенны.

При изменении линейных размеров пар ромбических антенн от 17, 19 к 18, 20 и далее к 21, 22, равно как и расстояний вдоль двухпроводных линий питания между ними расширяется частотный диапазон полиромбической антенны, поскольку диапазон рабочих частот отдельной каждой пары ромбических антенн определяется ее линейными размерами.

Результаты компьютерного моделирования полиромбической антенны, соответствующей фиг.3 и состоящей из 6 ромбических антенн, имеющих параметры α=45° и ℓ=0.75λ₀, приведены в приложении 1. Для сравнения в приложении 2 приведены результаты компьютерного моделирования объемной ромбической антенны тех же размеров:

- фиг.5 и 10 - диаграммы направленности в плоскости биссектрисы угла взаимного наклона плоскостей ромбов;

- фиг.6 и 11 - диаграммы направленности в плоскости, проходящей через продольные диагонали ромбов;

- фиг.7 и 12 - зависимости входного сопротивления от частоты;

- фиг.8 и 13 - зависимости КСВ от частоты;

- фиг.9 и 14 - зависимости коэффициента усиления и уровня обратного излучения от частоты.

Моделирование проводилось на центральной частоте 800 МГц и в полосе частот от 700 до 1000 МГц.

Для моделирования использовалась программа MMANA 1.77.

Таким образом, полиромбическая антенна позволяет увеличить коэффициент усиления и КПД антенны.

ЛИТЕРАТУРА

1. Коротковолновые антенны / Г.З.Айзенберг, С.П.Белоусов, Э.М.Журбенко и др./ Под ред. Г.З.Айзенберга. - 2-е, перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985. - С.277.

2. Сомов А.М., Кабетов Р.В. Объемная ромбическая антенна. Патент на изобретение №2205481 от 27.05.2003 г.

1. Полиромбическая антенна, содержащая первую и вторую ромбические антенны, состоящие из проводов, расположенных вдоль сторон ромба, а также первую и вторую линии питания, отличающаяся тем, что первая и вторая ромбические антенны нагружены на общее активное сопротивление, равное половине волнового сопротивления ромбов, и подключены соответственно к первой и второй двухпроводным линиям питания в точках, расположенных на одинаковом расстоянии от биссектрисы угла взаимного наклона плоскостей ромбических антенн и равноудаленных вдоль первой и второй линий питания от точки их соединения.

2. Полиромбическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что вдоль двухпроводных линий питания подключаются пары ромбических антенн, плоскости которых параллельны плоскостям первой и второй ромбических антенн, а активные сопротивления расположены вдоль одной прямой.

3. Полиромбическая антенна по п.2, отличающаяся тем, что линейные размеры пар ромбических антенн, равно как и расстояния между ними вдоль двухпроводных линий питания от одной пары ромбических антенн к другой паре ромбических антенн изменяются по закону геометрической прогрессии.

4. Полиромбическая антенна, содержащая первую и вторую ромбические антенны, состоящие из проводов, расположенных вдоль сторон ромба, а также первую и вторую линии питания, ромбические антенны подключены соответственно к первой и второй двухпроводным линиям питания в точках, расположенных на одинаковом расстоянии от биссектрисы угла взаимного наклона плоскостей ромбических антенн и равноудаленных вдоль первой и второй линий питания от точки их соединения, отличающаяся тем, что вдоль двухпроводных линий питания подключаются пары ромбических антенн, плоскости которых параллельны плоскостям первой и второй ромбических антенн, пары ромбических антенн нагружены на согласованную с ними двухпроводную линию, к концам которой подключены активные сопротивления, равные ее волновому сопротивлению.

5. Полиромбическая антенна по п.4, отличающаяся тем, что линейные размеры пар ромбических антенн, равно как и расстояния между ними вдоль двухпроводных линий питания от одной пары ромбических антенн к другой паре ромбических антенн изменяются по закону геометрической прогрессии.