Многокаскадная ромбическая антенна

Изобретение предназначено для использования в составе радиотехнических устройств для радиосвязи и радиовещания в коротковолновом диапазоне, а также для телевидения, радиовещания и радиосвязи в ультракоротковолновом диапазоне длин волн. Технический результат заключается в повышении эффективности использования площади, занимаемой антенной, и увеличении направленности и коэффициента усиления. Сущность изобретения состоит в том, что в многокаскадной ромбической антенне, содержащей парциальные ромбические антенны, продольные диагонали которых расположены на одной прямой, первая ромбическая антенна нагружена на вторую ромбическую через отрезок двухпроводной линии, вторая ромбическая антенна - через отрезок двухпроводной линии на третью и т.д. Последняя ромбическая антенна не нагружена на активное сопротивление и работает в режиме холостого хода. Длина отрезка двухпроводной линии, соединяющей ромбические антенны, может быть равна нулю. Провода каждого отрезка двухпроводной линии могут подключаться к противоположным проводам следующей за ним парциальной ромбической антенны. 1 з.п. ф-лы, 18 ил.

 

Изобретение предназначено для использования в составе радиотехнических устройств для радиосвязи и радиовещания в коротковолновом диапазоне, а также для телевидения, радиовещания и радиосвязи в ультракоротковолновом диапазоне длин волн.

Известна ромбическая антенна [1], состоящая из проводов, расположенных вдоль сторон ромба, нагруженных на активное сопротивление, равное волновому сопротивлению ромба и линии питания. Недостатками такой антенны являются сравнительно низкий коэффициент направленного действия и высокий уровень боковых лепестков.

Известна биромбическая антенна [2], состоящая из ромбической антенны, в которой стороны ромба, примыкающие к сопротивлению нагрузки, не пересекаясь, расходятся, образуя вторую ромбическую антенну. Такая антенна позволяет увеличить коэффициент усиления и уменьшить ширину боковых лепестков, но при этом их уровень остается таким же, как и у одиночной ромбической антенны.

Целью изобретения является повышение эффективности использования площади, занимаемой антенной, а также увеличение ее направленности.

Для этого предлагается многокаскадная ромбическая антенна, состоящая из парциальных ромбических антенн, продольные диагонали которых расположены на одной прямой. При этом первая ромбическая антенна нагружена на вторую ромбическую антенну через отрезок двухпроводной линии, вторая - через отрезок двухпроводной линии на третью и т.д. С целью увеличения коэффициента полезного действия и коэффициента усиления последняя ромбическая антенна не имеет нагрузки в виде активного сопротивления и работает в режиме холостого хода. Длина отрезка двухпроводной линии, соединяющей ромбические антенны, может быть равна нулю.

Ромбические антенны могут быть подключены одна к другой при помощи отрезка двухпроводной линии со скрещиванием проводов. При этом провода каждого отрезка двухпроводной линии подключаются к противоположным проводам следующей за ним парциальной ромбической антенны.

Изобретение поясняется чертежами, на которых:

фиг.1 - многокаскадная ромбическая антенна;

фиг.2 - многокаскадная ромбическая антенна со скрещиванием проводов.

Многокаскадная ромбическая антенна (фиг.1) состоит из ромбических антенн 1, 2, ... N, продольные диагонали которых расположены на оси 1''-2''. При этом ромбическая антенна 1 нагружена на ромбическую антенну 2 через отрезок двухпроводной линии 2', которая, в свою очередь, нагружена на ромбическую антенну 3 через отрезок двухпроводной линии 3' и т.д. Последняя ромбическая антенна не нагружена на активное сопротивление и работает в режиме холостого хода (противоположные провода последней парциальной антенны в точке 2'' остаются разомкнутыми).

При этом со стороны входа парциальные ромбические антенны могут быть подключены к двухпроводной линии питания также и со скрещиванием проводов (фиг.2). В этом случае провод 3'' каждого отрезка двухпроводной линии подключается к противоположному проводу 5'' ромбической антенны, а провод 4'' - к проводу 6''.

Многокаскадная ромбическая антенна работает следующим образом: при подключении высокочастотного генератора в точках 1'' ко входу парциальной ромбической антенны 1 вдоль проводов ромбических антенн 1, 2, ... N образуется затухающая (в связи с излучением) бегущая волна тока.

Диаграмма направленности поля излучения каждого отдельного провода ромбической антенны имеет воронкообразную форму. В зависимости от соотношения между половиной тупого угла ромба Ф и длиной стороны ромба l, отнесенной к длине электромагнитной волны λ, излучение одной ромбической антенны может иметь либо один максимум, ориентированный вдоль продольной диагонали в направлении нагрузки, либо два максимума, симметрично отклоненных от плоскости ромбической антенны и расположенных в перпендикулярной ей плоскости.

Каждая последующая парциальная ромбическая антенна будет возбуждаться с некоторым фазовым сдвигом относительно предыдущей антенны. Скрещивание проводов добавляет дополнительный фазовый сдвиг, равный π. За счет того, что каждая парциальная ромбическая антенна излучает часть мощности, к следующей за ней антенне будет подводиться меньшая мощность.

Таким образом, многокаскадная ромбическая антенна оказывается эквивалентна линейной антенной решетке с экспоненциальным распределением амплитуд.

Направления, в которых электромагнитные поля от элементов решетки складываются в фазе, зависят от соотношения набега фазы, получаемого электромагнитной волной при прохождении расстояния d между двумя соседними ромбическими антеннами, и фазового сдвига между их токами, определяемого длиной двухпроводной линии b, длиной стороны ромба l и длиной электромагнитной волны в проводе λ'.

Максимумы излучения многокаскадной ромбической антенны формируются в зависимости от диаграмм направленности составляющих ее ромбических антенн и множителя эквивалентной решетки. При определенных параметрах парциальных ромбических антенн максимум (максимумы) их излучения будет ориентирован в тех же направлениях, что и составленной из них многокаскадной ромбической антенны.

Отрезки двухпроводной линии, соединяющие парциальные ромбические антенны, практически не влияют на положение главных максимумов их излучения. Выбором длины этих отрезков можно управлять уровнем боковых лепестков многокаскадной ромбической антенны.

Если многокаскадная ромбическая антенна содержит 3 и более антенны, то почти вся подводимая к ней мощность излучается ее проводами и сопротивления нагрузки практически не достигает. Исключение этого сопротивления приводит к наличию в последней ромбической антенне отраженной волны. Поскольку амплитуда отраженной волны будет мала, то влияния на режим бегущей волны тока в антенне и, как следствие, ее направленные характеристики и входное сопротивление оказывать она практически не будет. Коэффициент полезного действия антенны и коэффициент ее усиления, напротив, могут увеличиться (так как исчезнут потери).

При равных длинах известная ромбическая антенна и предлагаемая многокаскадная ромбическая антенна имеют примерно одинаковые коэффициенты усиления и направленного действия. Однако при этом ширина многокаскадной ромбической антенны оказывается в несколько раз меньше, чем у ромбической антенны.

Результаты компьютерного моделирования трехкаскадной ромбической антенны без скрещивания проводов приведены в приложении 1:

фиг.3 - диаграмма направленности коротковолновой антенны в вертикальной плоскости;

фиг.4 - диаграмма направленности коротковолновой антенны в плоскости максимума излучения;

фиг.5 - зависимость коэффициента стоячей волны (КСВ) от частоты (МГц) для коротковолновой антенны;

фиг.6 - зависимость коэффициента усиления (дБ) от частоты (МГц) для коротковолновой антенны;

фиг.7 - диаграмма направленности антенны УКВ-диапазона в плоскости ромбических антенн;

фиг.8 - диаграмма направленности антенны УКВ-диапазона в плоскости, перпендикулярной плоскостям ромбов;

фиг.9 - зависимость КСВ от частоты (МГц) для антенны УКВ-диапазона;

фиг.10 - зависимость коэффициента усиления (дБ) от частоты (МГц) для антенны УКВ-диапазона.

Результаты компьютерного моделирования трехкаскадной ромбической антенны со скрещиванием проводов приведены в приложении 2:

фиг.11 - диаграмма направленности коротковолновой антенны в вертикальной плоскости;

фиг.12 - диаграмма направленности коротковолновой антенны в плоскости максимума излучения;

фиг.13 - зависимость КСВ от частоты (МГц) для коротковолновой антенны;

фиг.14 - зависимость коэффициента усиления (дБ) от частоты (МГц) для коротковолновой антенны;

фиг.15 - диаграмма направленности антенны УКВ-диапазона в плоскости ромбических антенн;

фиг.16 - диаграмма направленности антенны УКВ-диапазона в плоскости, перпендикулярной плоскостям ромбов;

фиг.17 - зависимость КСВ от частоты (МГц) для антенны УКВ-диапазона;

фиг.18 - зависимость коэффициента усиления (дБ) от частоты (МГц) для антенны УКВ-диапазона.

Для моделирования использовалась программа MMANA 2.03. Парциальные ромбические антенны представляли собой квадраты с длиной стороны (отнесенной к строительной длине волны), равной 1.0 для KB-антенн, 1.7 для УКВ-антенны без скрещивания и 0.85 для УКВ-антенны со скрещиванием проводов. Длина отрезков соединительной двухпроводной линии составляла 0.1 от строительной длины волны для УКВ-антенны без скрещивания проводов и 0.2 от строительной длины волны в остальных случаях. KB-антенны моделировались на частоте 14 МГц, УКВ-антенны - на частоте 800 МГц.

Таким образом, многокаскадная ромбическая антенна позволяет более эффективно использовать занимаемую антенной площадь, а также улучшить направленные свойства известной ромбической антенны и увеличить коэффициент усиления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Коротковолновые антенны. /Г.3.Айзенберг, С.П.Белоусов, Э.М.Журбенко и др.; Под ред. Г.3.Айзенберга. - 2-е, перераб. и доп. - М: Радио и связь, 1985. - с.277.

2. Патент РФ №2157027 "Биромбическая антенна", авт. Сомов А.М., Майданик К.Ф. - М., 2000.

1. Многокаскадная ромбическая антенна, состоящая из парциальных ромбических антенн, продольные диагонали которых расположены на одной прямой, отличающаяся тем, что первая ромбическая антенна нагружена на вторую ромбическую антенну через отрезок двухпроводной линии, вторая ромбическая антенна - через отрезок двухпроводной линии на третью и т.д., а последняя ромбическая антенна не нагружена и работает в режиме холостого хода.

2. Многокаскадная ромбическая антенна по п.2, отличающаяся тем, что провода каждого отрезка двухпроводной линии подключены к противоположным проводам следующей за ним парциальной ромбической антенны.