Широкополосная петлевая антенна
Владельцы патента RU 2395875:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет (ТГУ) (RU)
Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиосвязи, радионавигации, радиопеленгации, телевидении и радиовещании. Техническим результатом является увеличение помехозащищенности за счет сужения диаграммы направленности и увеличение ее коэффициента защитного действия. Устройство содержит идентичные первую и вторую проводящие петли, с первой и второй проводящими перемычками, расположенные в одной плоскости симметрично относительно оси антенны и ориентированные своими концами навстречу друг другу, третью и четвертую проводящие петли с третьей и четвертой проводящими перемычками, идентичные первой и второй петлям с перемычками, расположенные в плоскости первой и второй петель симметрично относительно оси антенны и образующие второй ряд петель с перемычками, в котором каждый элемент петель отстоит от аналогичного элемента петель первого ряда на расстоянии, равном (0,20-0,25)λmin, где λmin - минимальная рабочая длина волны, два согласующих трансформатора и два резистора, сумматор сигналов и два отрезка коаксиального кабеля, один из которых соединен с выходом первого согласующего трансформатора, а его конец - с первым входом сумматора сигналов, второй отрезок соединен с выходом второго согласующего трансформатора и со вторым входом сумматора сигналов, при этом выход сумматора сигналов образует выход антенны. 6 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.
Изобретение относится к антенной технике, а именно к широкополосным петлевым антеннам, имеющим узкую диаграмму направленности, и может найти применение в радиосвязи, радионавигации, радиопеленгации, телевидении и радиовещании. Широкое применение данное изобретение может найти в качестве телевизионной приемной антенны, используемой в городских условиях (при наличии многочисленных активных и пассивных помех).
Известна активная приемная антенна, содержащая четыре одинаковых вибратора, размещенных эквидистантно в вертикальной плоскости над горизонтально расположенным проводящим экраном, две металлические перемычки, соединяющие верхние концы первого и второго, третьего и четвертого штырей, четыре идентичных трансформатора, имеющих первичную симметричную обмотку с отводом от средней точки и выходную несимметричную обмотку, и четыре усилителя сигналов [1]. Нижние концы первого и второго вибраторов подключены соответственно к началу и концу первичной обмотки первого трансформатора, а нижние концы третьего и четвертого вибраторов - к началу и концу первичной обмотки второго трансформатора, входы первого и третьего усилителей подключены к выводам средних точек первичных обмоток соответственно первого и второго трансформаторов, а входы второго и четвертого усилителей - к концам вторичных обмоток соответственно первого и второго трансформаторов, начала вторичных обмоток первого и второго трансформаторов соединены с экраном, выходы первого и третьего усилителей соединены с началами первичных обмоток соответственно третьего и четвертого трансформаторов, а выходы второго и четвертого усилителей - с концами первичных обмоток соответственно третьего и четвертого трансформаторов, средние точки первичных обмоток третьего и четвертого трансформаторов соединены с экраном, начало вторичной обмотки третьего трансформатора и конец вторичной обмотки четвертого трансформатора соединены с экраном, а другие концы вторичных обмоток этих трансформаторов соединены между собой и совместно с экраном образуют выход антенны.
Достоинством антенны является высокий коэффициент защитного действия (КЗД), недостатком - то, что она может принимать только вертикально поляризованные волны, что неприемлемо, в частности, для телевизионного вещания. Кроме того, наличие в составе антенны усилителей не позволяет использовать ее в режиме передачи.
Известна петлевая антенна [2], содержащая две идентичные проводниковые петли, расположенные в одной плоскости и ориентированные своими концами навстречу друг другу, с длиной каждой петли, не превышающей минимальную рабочую длины волны, согласующий трансформатор, имеющий два симметричных противофазных входа, соединенных с первыми, противолежащими, концами первой и второй петель, вывод середины входной обмотки и несимметричный выход, цепочку из двух последовательно соединенных резисторов, подключенную своими концами ко вторым концам петель, а местом соединения резисторов - к выводу середины входной обмотки согласующего трансформатора, и усилитель, вход которого подключен к выходу согласующего трансформатора, при этом выход усилителя является выходом антенны.
Недостатками такой антенны являются: сильная зависимость входного импеданса антенны от частоты сигнала, обусловленная изменением импеданса со стороны выхода согласующего трансформатора в диапазоне рабочих частот антенны (что снижает ее чувствительность), широкая диаграмма направленности (типа кардиоиды) и невысокий КЗД. Кроме того, эта антенна (как и предыдущая) не может работать в режиме передачи.
Наиболее близким устройством к заявляемому объекту (по наибольшему числу существенных признаков) является широкополосная петлевая антенна [3], содержащая две идентичные первую и вторую проводящие петли, расположенные в одной плоскости симметрично относительно оси антенны и ориентированные своими концами навстречу друг другу, согласующий трансформатор, имеющий два симметричных противофазных входа, соединенных с первыми, противолежащими, концами первой и второй петель, и несимметричный выход, являющийся выходом антенны, цепочку, состоящую из последовательно соединенных резистора и катушки индуктивности и подключенную ко вторым концам петель, и расположенные внутри первой и второй петель первую и вторую проводящие перемычки, концы которых соединены с петлями в секторах 50-200°, отсчитываемых от первых концов петель.
Недостатком антенны-прототипа является то, что она имеет широкую диаграмму направленности (типа кардиоиды) и невысокий КЗД, а следовательно, - плохую помехозащищенность.
Задачей изобретения является увеличение помехозащищенности петлевой широкополосной антенны за счет сужения диаграммы направленности и увеличения КЗД.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в широкополосной петлевой антенне, содержащей идентичные первую и вторую проводящие петли, расположенные в одной плоскости симметрично относительно оси антенны и ориентированные своими концами навстречу друг другу, согласующий трансформатор, имеющий два симметричных противофазных входа, соединенных с первыми, противолежащими, концами первой и второй петель, и несимметричный выход, резистор, подключенный к одному из вторых концов петель, и расположенные внутри первой и второй петель первую и вторую проводящие перемычки, концы которых соединены с петлями в секторах 50-200°, отсчитываемых от первых концов петель, второй конец резистора подключен к другому из вторых концов петель, и в состав антенны дополнительно введены третья и четвертая проводящие петли с третьей и четвертой проводящими перемычками, идентичные первой и второй петлям с перемычками, расположенные в плоскости первой и второй петель симметрично относительно оси антенны и образующие второй ряд петель с перемычками, в котором каждый элемент петель отстоит от аналогичного элемента петель первого ряда на расстоянии, равном (0,20-0,25)λmin, где λmin - минимальная рабочая длина волны, второй согласующий трансформатор, идентичный первому, симметричные входы которого соединены с первыми концами третьей и четвертой петель, второй резистор, идентичный первому, концы которого подключены ко вторым концам третьей и четвертой петель, сумматор сигналов, имеющий два несимметричных входа и один несимметричный выход, первый отрезок коаксиального кабеля, начало которого соединено с выходом первого согласующего трансформатора, а конец - с первым входом сумматора сигналов, и второй отрезок коаксиального кабеля, электрическая длина которого превышает электрическую длину первого отрезка кабеля на величину, равную расстоянию от первых концов первой и второй петель до первых концов третьей и четвертой петель, и начало которого соединено с выходом второго согласующего трансформатора, а конец - со вторым входом сумматора сигналов, при этом выход сумматора сигналов образует выход антенны.
В частном случае коэффициент трансформации сопротивлений обоих согласующих трансформаторов равен 4:1.
В частном случае сопротивления резисторов выбирают в пределах (200-500)Ом.
В частном случае петли и перемычки выполнены из проводящих трубок.
В частном случае петли выполнены в форме окружностей с длиной петли, составляющей (0,4-0,6)λmin.
В частном случае перемычки выполнены в форме прямой трубки и их концы соединены с первой-четвертой петлями на расстояниях от первых концов петель, измеряемых по дуге окружности, соответственно (0,15-0,18)L и (0,58-0,70)L, где L - длина отдельной петли.
В частном случае перемычки выполнены в форме дуги окружности с радиусом, равным радиусу петель, и их концы соединены с первой-четвертой петлями на расстояниях от первых концов петель, измеряемых по дуге окружности, соответственно (0,18-0,20)L и (0,60-0,70)L, где L - длина отдельной петли.
На фиг.1 и 2 приведены два варианта функциональной схемы предлагаемой широкополосной петлевой антенны (первый вариант - с перемычками, выполненными в форме прямых трубок, второй вариант - с перемычками, выполненными в форме дуги окружности с радиусом, равным радиусу петель).
На фиг.1 и 2 обозначено: 1 и 2 - первая и вторая проводящие петли; 3 и 4 - первая и вторая проводящие перемычки; 5 - первый резистор; 6 - первый согласующий трансформатор, имеющий симметричный вход и несимметричный выход; 7 и 8 - третья и четвертая проводящие петли; 9 и 10 - третья и четвертая проводящие перемычки: 11 - второй резистор, идентичный первому; 12 - второй согласующий трансформатор, идентичный первому; 13 - сумматор сигналов, имеющий два несимметричных входа и один несимметричный выход; 14 и 15 - первый и второй отрезки коаксиального кабеля.
Широкополосная петлевая антенна работает следующим образом. Антенна принимает радиоволны, у которых вектор поляризации электрического поля или его составляющая расположены параллельно плоскости петель. Электромагнитное поле наводит в петлях 1, 2, 7 и 8 ЭДС, под действием которых через первые (верхние по чертежу) концы четырех петель протекают синфазные и противофазные токи, которые также протекают по первичным обмоткам первого 6 и второго 12 согласующих трансформаторов. На выходах первого и второго согласующих трансформаторов 6 и 12 образуются сигналы, пропорциональные сумме синфазных и противофазных токов, наведенных электромагнитным полем в петлях 1, 2, 7 и 8. Благодаря инверсному подключению первых концов петель 7 и 8 к входам согласующего трансформатора 12 по отношению к подключению первых концов петель 1 и 2 к входам согласующего трансформатора 6 сигналы на выходах обоих согласующих трансформаторов будут сдвинуты на 180°. С выходов трансформаторов 6 и 12 сигналы по коаксиальным кабелям 14 и 15 поступают на входы сумматора 13, выход которого является выходом антенны. Резисторы 5 и 11 обеспечивают равенство синфазных и противофазных токов, протекающих через первые концы обеих пар петель. Это обеспечивает одинаковые кардиоидные диаграммы направленности как у первой пары петель, так и у второй. Отрезок коаксиального кабеля 15 имеет электрическую длину больше, чем отрезок коаксиального кабеля 14 на величину, равную расстоянию между первыми концами петель 1 и 2 и первыми концами петель 7 и 8, что обеспечивает формирование общей диаграммы направленности, определяемой произведением двух кардиоид. Первый 6 и второй 12 согласующие трансформаторы имеют коэффициент трансформации сопротивлений 4:1, что обеспечивает согласование противофазного источника сигнала, имеющего сопротивление 300 Ом, с волновым сопротивлением коаксиального кабеля, имеющего сопротивление 75 Ом. Проводящие перемычки 3, 4, 9 и 10 уменьшают волновое сопротивление участков петель 3, 4, 9 и 12 вблизи их первых концов. Это, в свою очередь, уменьшает частотную зависимость импеданса петель со стороны их первых концов (на входах согласующих трансформаторов 6 и 12) и расширяет диапазон рабочих частот антенны. Использование проводящих перемычек позволяет также уменьшить в два раза величину используемых резисторов и за счет этого уменьшить уровень тепловых потерь на выходе антенны.
Нами были изготовлены макеты предлагаемой антенны, схема которой изображена на фиг.1, и антенны-прототипа и проведены их сравнительные экспериментальные исследования (антенна-прототип содержала только элементы 1-6). Макеты имели следующие геометрические размеры:
| - длина отдельной петли | 1500 мм |
| - диаметр трубки петли | 12 мм |
| - расстояние между рядами петель | |
| (в предлагаемой антенне) | 750 мм |
| - расстояние от начала петли до ближайшей точки | |
| соединения перемычки с петлей | 300 мм |
| - длина перемычки | 460 мм |
| - диаметр трубки перемычки | 6,5 мм |
| - значение сопротивлений резисторов | 390 Ом |
Измерялись следующие характеристики антенн (ГОСТ Р 51269-99):
среднее значение коэффициента усиления (КУср), коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН), коэффициент защитного действия (КЗД) и угол раствора (раскрыва) главного лепестка диаграммы направленности в горизонтальной плоскости (УР). Ниже в таблице приведены результаты измерений.
| Результаты экспериментальных исследований предлагаемой петлевой антенны и антенны-прототипа | ||||
| Тип антенны | КУср, дБ | КСВН, не более | КЗД, дБ, не менее | УР, град |
| Заявленная | 3,7 | 1,5 | 16 | 90 |
| Прототип | 3,0 | 1,8 | 6 | 120 |
Из таблицы следует, что заявленная антенна имеет по всем измеренным параметрам существенно лучшие характеристики, чем антенна-прототип. В первую очередь это касается параметров, влияющих на помехозащищенность антенны (КЗД и УР).
Источники информации
1. Патент РФ №1072710, кл. H01Q 9/00. Сверхнаправленная активная приемная антенна. Заявл. 29.12.1981.
2. Полезная модель РФ №6090, кл. H01Q 23/00. Активная широкополосная петлевая антенна. Опубл. 16.02.1998. Бюл. №2.
3. Патент РФ №2212081, кл. H01Q 7/00. Широкополосная петлевая антенна. Заявл. 09.07.2002. Опубл. 10.09.2003. Бюл. №25 - прототип.
1. Широкополосная петлевая антенна, содержащая идентичные первую и вторую проводящие петли, расположенные в одной плоскости симметрично относительно оси антенны и ориентированные своими концами навстречу друг другу, согласующий трансформатор, имеющий первый и второй симметричные противофазные входы, соединенные с первыми, противолежащими, концами соответственно первой и второй петель, и несимметричный выход, резистор, подключенный к одному из вторых концов петель, и расположенные внутри первой и второй петель первую и вторую проводящие перемычки, концы которых соединены с петлями в секторах 50-200°, отсчитываемых от первых концов петель, отличающаяся тем, что второй конец резистора подключен к другому из вторых концов петель и в состав антенны дополнительно введены третья и четвертая проводящие петли с третьей и четвертой проводящими перемычками, идентичные первой и второй петлям с перемычками, расположенные в плоскости первой и второй петель симметрично относительно оси антенны и образующие второй ряд петель с перемычками, в котором каждый элемент петель отстоит от аналогичного элемента петель первого ряда на расстоянии, равном (0,20-0,25)λmin, где λmin - минимальная рабочая длина волны, второй согласующий трансформатор, идентичный первому, первый и второй симметричные входы которого соединены с первыми концами соответственно четвертой и третьей петель, второй резистор, идентичный первому, концы которого подключены ко вторым концам третьей и четвертой петель, сумматор сигналов, имеющий первый и второй несимметричные входы и один несимметричный выход, первый отрезок коаксиального кабеля, начало которого соединено с выходом первого согласующего трансформатора, а конец - с первым входом сумматора сигналов, и второй отрезок коаксиального кабеля, электрическая длина которого превышает электрическую длину первого отрезка кабеля на величину, равную расстоянию от первых концов первой и второй петель до первых концов третьей и четвертой петель, и начало которого соединено с выходом второго согласующего трансформатора, а конец - со вторым входом сумматора сигналов, при этом выход сумматора сигналов образует выход антенны.
2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что коэффициент трансформации сопротивлений первого и второго согласующих трансформаторов равен 4:1.
3. Антенна по п.2, отличающаяся тем, что сопротивления резисторов выбирают в пределах (200-500) Ом.
4. Антенна по п.3, отличающаяся тем, что петли и перемычки выполнены из проводящих трубок.
5. Антенна по п.4, отличающаяся тем, что петли выполнены в форме окружностей с длиной петли, составляющей (0,4-0,6)λ,min.
6. Антенна по п.5, отличающаяся тем, что перемычки выполнены в форме прямой трубки и их концы соединены с первой - четвертой петлями на расстояниях от первых концов петель, измеряемых по дуге окружности, соответственно (0,15-0,18)L и (0,580,70)L, где L - длина отдельной петли.
7. Антенна по п.5, отличающаяся тем, что перемычки выполнены в форме дуги окружности с радиусом, равным радиусу петель, и их концы соединены с первой - четвертой петлями на расстояниях от первых концов петель, измеряемых по дуге окружности, соответственно (0,18-0,20)L и (0,60-0,70)L, где L - длина отдельной петли.
