H01Q5 / 00 - Пристрої, що забезпечують одночасну роботу антен в двох або більше різних діапазонах хвиль (при регульованою довжині елементів H01Q 9/14; комбіновані конструкції з окремих активних антенних вузлів, що працюють в різних діапазонах хвиль і з'єднаних із загальною фідерної системою, H01Q 21 / 30)
Власники патенту RU 2568340:
Федеральне державне бюджетне освітня установа вищої професійної освіти «Мурманський державний технічний університет" (ФГБОУ ВПО "МГТУ") (RU)
Використання: в якості пристрою антеною техніки. Суть винаходу полягає в тому, що активний антенний треугольно-петлевий елемент Мілкіна містить розташовані симетрично щодо загальної осі петльові вібратори, встановлені перпендикулярно напрямку прийому електромагнітних хвиль і з'єднані між собою, при цьому петльові вібратори розташовані в одній площині, один з них виконаний у формі рівнобедреного трикутника з підставою 0,4λраб і бічними сторонами 0,3λраб. інший петлевий вібратор є шлейф-вібратор Пістолькорса з двох паралельних лінійних провідників, один з яких нерозрізний, інший розрізний в середній частині з розміщенням в ній точок харчування, в яких обидва вібратора з'єднані між собою з перехрещуванням бічних сторін рівнобедреного трикутного вібратора. Технічний результат: підвищення компактності, збільшення частотного діапазону і коефіцієнта посилення. 3 мул.
Винахід відноситься до пристроїв антеною техніки і може бути використано в якості самостійної антени, а також у складі складних антенних пристроїв для роботи в КВ, УКХ, ДМВ, СМВ-діапазонах.
Відомий широкосмуговий симетричний шлейф-вібратор Пістолькорса у вигляді двох паралельно розташованих лінійних провідників, що лежать в одній площині і мають об'єднані кінці (Антени УКВ. Під. Ред. Г.З. Айзенберга. В 2-х ч. 4.1. М. «Зв'язок» , 1977, стор. 169, рис. 13.5). Паралельні провідники утворюють симетричні напів-петлі-плечі вібратора щодо осі симетрії, що проходить через середини лінійних провідників. Сума протяжності довжин лінійних провідників порівнянна з λраб. а протяжність плечей близько 0,25λраб Вузлом харчування шлейф-вібратора є точки закінчення провідників в розрізі середній частині одного з лінійних провідників.
Недоліком класичного петлевого вібратора є високий вхідний опір.
Недоліком рамкових антен є мала смуга пропускання.
Недоліками відомої комбінації провідників антени є збільшені габаритні розміри конструкції полотна і необхідність використання ще більш збільшеної площі рефлектора для забезпечення односторонньої спрямованості, що звужує можливості її використання, особливо в низькочастотної частини метрового діапазону радіохвиль і на більш низьких частотах.
Недоліки прототипу полягають в наступному. Кількість петльових вібраторів визначається кількістю працюючих телевізійних станцій в зоні впевненого прийому антени і рівнем сигналу, в межі кількість вібраторів в активному елементі може дорівнювати кількості каналів телемовлення, що обумовлює громіздкість активного антенного елемента. Крім того, активний антенний елемент має недостатньо широкий частотний діапазон використання, що обмежується конструктивними особливостями при роботі в низькочастотної частини метрового діапазону радіохвиль і на більш низьких частотах, а також недостатньо високий коефіцієнт посилення.
Технічний результат, на досягнення якого спрямована заявляється винахід, полягає в підвищенні компактності, збільшенні частотного діапазону і коефіцієнта посилення активного антенного треугольно-петлевого елемента Мілкіна.
Для досягнення технічного результату в активному антенном треугольно-петлевом елементі Мілкіна, що містить розташовані симетрично щодо загальної осі петльові вібратори, встановлені перпендикулярно напрямку прийому електромагнітних хвиль і з'єднані між собою, петльові вібратори розташовані в одній площині, один з них виконаний у формі рівнобедреного трикутника з основою 0,4λраб і бічними сторонами 0,3λрaб .. інший петлевий вібратор є шлейф-вібратор Пістолькорса з двох паралельних лінійних роводніков, один з яких нерозрізний, інший розрізний в середній частині з розміщенням в ній точок харчування, в яких обидва вібратора з'єднані між собою з перехрещуванням бічних сторін рівнобедреного трикутного вібратора.
Відмінними ознаками пропонованого активного антенного треугольно-петлевого елемента Мілкіна від зазначеного вище відомого, найбільш близького до нього, є наступні:
- розташування різнорідних вібраторів в одній площині,
- виконання одного вібратора в формі рівнобедреного трикутника з основою 0,4λpaб. і бічними сторонами 0,3λраб,
- інший петлевий вібратор є шлейф-вібратор Пістолькорса,
- обидва вібратора з'єднані між собою в загальних точках харчування з перехрещуванням бічних сторін рівнобедреного трикутного вібратора,
- точки харчування розташовані в середній частині розрізного провідника шлейф-вібратора Пістолькорса.
Завдяки наявності цих ознак досягається компактність за рахунок зменшення числа вібраторів і розташування їх в одній площині, збільшується частотний діапазон за рахунок комплексного використання всіх провідників двох вібраторів, збільшується коефіцієнт посилення за рахунок додаткового випромінювання провідників бічних сторін довжиною 0,3λраб. При цьому забезпечується секторная спрямованість антени при зменшеній поздовжньої протяжності, спрощується симетрування і узгодження з коаксіальним кабелем харчування при комбінованому використанні різнорідних вібраторів.
Технічне рішення забезпечується тим, що пристрій антени конструктивно реалізовано у вигляді об'єднаних безпосереднім підключенням до лінії живлення і один до одного в точках включення вузла живлення двох неоднорідних вібраторів, а саме: з розширеною смугою і широкосмугового. Перший петлевий вібратор виконаний у формі рівнобедреного трикутника з основою протяжністю 0,4λраб і з бічними сторонами протяжністю 0,3λраб. Другий вібратор є шлейф-вібратор Пістолькорса з двох паралельних лінійних вібраторів, один з них нерозрізний, інший - розрізний в середній частині з розміщенням в ній спільних точок харчування. Петльові вібратори розміщені в одній площині, а підключення до вузла харчування провідників бічних сторін трикутного вібратора вироблено з перехрещуванням провідників, тобто противофазно. Коаксіальний кабель живлення при жорсткій конструкції, наприклад в трубчастому варіанті провідників, прокладається з введенням через точку нульового потенціалу, середину лінійного нерозрізного провідника шлейф-вібратора Пістолькорса. Вихід кабелю в вузол харчування проводиться в розрізі при забезпеченні електричного контакту обплетення кабелю з закінченням провідника плеча прокладки і електричного контакту центральної жили з закінченням провідника протилежного плеча.
Універсальність використання активного антенного треугольно-петлевого елемента в широкому діапазоні частот обумовлюється переважним застосуванням в дротовому вигляді в KB-діапазоні, жорсткою конструкцією в УКХ, ДМВ- діапазонах і з друкованим виконанням в СМВ-діапазоні.
Новизна в частині пристрою по винаходу вбачається в тому, що обидва вібратора антеною решітки приймають і передають свою енергію на загальне навантаження при безпосередньому підключенні один до одного в точках харчування без використання ліній зв'язку між ними. Це знижує внутрішні шуми, виключає проблеми узгодження активних і реактивних опорів ліній зв'язку з вібраторами і втрату енергії.
Новизна в частині пристрою вбачається в тому, що різнорідні вібратори мають різні вхідні опору, що забезпечують загальне вхідний опір активного антенного треугольно-петлевого елемента при паралельному включенні менше меншого. Окремо, вхідні опору у кожного з вібраторів, що перевищують хвильові опору коаксіальних кабелів, при паралельному включенні адаптують загальний опір елемента до хвилевого опору кабелю живлення, що спрощує його узгодження з лінією живлення.
Новизна в частині пристрою вбачається в тому, що різні вхідні опору різнорідних вібраторів при підключенні до одного джерела живлення створюють різні струми провідності в їх провідниках, через що в вібраторі з меншим опором потече збільшений струм. З урахуванням впливу струмів провідності і струмів від взаємно наведених ЕДС, коли з'єднання проводиться з перехрещуванням провідників бічних сторін трикутного вібратора, забезпечується збільшення сумарного струму в провіднику, розміщеному з боку напрямку приймально-передачі антенного елемента. Це в разі поздовжньої антеною решітки підвищує спрямованість системи в його сторону і звуження діаграми спрямованості, роблячи вібратор розміщеним ззаду активним рефлектором. У разі прямого з'єднання провідників, на відміну від пропонованого, не відбувається збільшення сумарного струму за рахунок протифазних ЕРС з наближенням його за величиною, як у провіднику, розміщеному з боку напрямку приймально-передачі, так і в провідниках шлейф-вібратора, що спричиняє зменшення коефіцієнта посилення і прояви двосторонньої спрямованості.
Новизна в частині пристрою вбачається і в тому, що збільшений струм тече, крім розміщеного з боку напрямку приймально-передачі антенного елемента, ще й в провідниках сторін, розташованих симетрично осі, але під кутом до неї. Вони також випромінюють в простір електромагнітне поле, але з взаємної компенсацією зустрічних поздовжніх складових від різних сторін і інтегруються в загальний сумарний випромінюється електромагнітне поле односторонньо спрямованих поперечних складових, забезпечуючи підвищення коефіцієнта посилення системи.
Новизна в частині пристрою вбачається в тому, що з урахуванням рамкової характеру рівнобедреного трикутника, а також збільшених струмів першого петлевого вібратора з боку напрямку приймально-передачі, діаграма спрямованості уздовж його осі має більший кут розчину в площині, перпендикулярній площині полотна активного антенного треугольно-петлевого елемента, ніж в площині полотна.
Новизна в частині пристрою вбачається в тому, що співвідношення сторін вібратора в формі рівнобедреного трикутника з бічними сторонами протяжністю 0,3λраб і підставою 0,4λраб. забезпечує розташування цього активного вібратора від шлейф-вібратора Пістолькорса (тобто активного рефлектора) на відстані близько 0,2λраб .. Це в широкому діапазоні частот оптимізує коефіцієнти спрямованої дії і біжучої хвилі.
Новизна в частині пристрою вбачається в тому, що протяжність провідника підстави трикутного вібратора, рівна 0,4λраб. забезпечує зростання коефіцієнта посилення на частотах робочого діапазону зі збільшенням в сторону більш високих частот, що обумовлюється затребуваним практикою застосування в прикладній антеною техніці.
Поєднання характерних ознак і властивостей як в заявленому пристрої з технічної, наукової літератури і патентної документації не виявлено, тому воно відповідає критеріям новизни і винахідницького рівня.
Промислова придатність заявленого технічного рішення вбачається в порівняльній простоті виготовлення, тиражування і експлуатації, в високих електричних показниках як у вигляді самостійної антени, так і в складі складних антенних пристроїв, можливості використання на промисловій основі та конкурентоспроможному рівні.
Пропонований активний треугольно-петлевий елемент Мілкіна ілюструється кресленнями, представленими на фіг. 1-3.
На фіг. 1 представлений загальний вид активного антенного треугольно-петлевого елемента, на фіг. 2 наведені діаграми спрямованості в горизонтальній і вертикальній площинах з основними параметрами при вертикальному розміщенні полотна антени, на фіг. 3 наведені діаграми спрямованості в горизонтальній і вертикальній площинах з основними параметрами при горизонтальному розміщенні полотна антени.
Активний антенний треугольно-петлевий елемент (фіг. 1) містить петлевий вібратор 1 в формі рівнобедреного трикутника і петлевий вібратор 2, що представляє собою шлейф-вібратор Пістолькорса. Вібратори 1 і 2 розташовані в одній площині щодо загальної осі 3. вібратори 1, 2 розташовані перпендикулярно напрямку приймально-передачі електромагнітних хвиль. Перший петлевий вібратор 1 виконаний у формі рівнобедреного трикутника з основою 4 довжиною 0,4λраб і бічними сторонами 5 довжиною 0,3λраб. Другий петлевий вібратор 2 являє собою шлейф-вібратор Пістолькорса у вигляді двох паралельно розташованих лінійних провідників 6, 7. Провідник 6 є нерозрізним, провідник 7 розрізний в середній частині. У розрізі лінійного провідника 7 розміщені точки харчування a, b (включення) вузла 8 харчування. Петльові вібратори 1 і 2 з'єднані між собою з перехрещуванням бічних сторін 5 вібратора 1 в загальних точках а і b харчування вузла 8 харчування (тобто об'єднані безпосереднім підключенням один до одного в точках харчування (включення) a і b).
Активний антенний треугольно-петлевий елемент Мілкіна працює наступним чином.
При підключенні високочастотного генератора (не показаний) в точки харчування a і b вузла 8 харчування по провідникам 4, 5 петлевого вібратора 1, так само як і по провідникам 6 і 7 петлевого вібратора 2 потечуть струми з величинами, обернено пропорційними опорам ланцюгів. У провіднику 4 потече збільшений струм щодо провідників 6 і 7 через менший вхідного опору рамкової вібратора 1, ніж шлейф-вібратора 2. При цьому через те, що в шлейф-вибраторе Пістолькорса 2 провідники 6 і 7 розташовані в безпосередній близькості один до одного, а в равнобедренном трикутному вибраторе 1 провідник 4 підключений в середину петлі між провідниками бічних перехрещених сторін 5 з розв'язкою по протяжності довжиною 0,3λраб до і після включення провідника 4, то струми в провідниках 6 і 7 будуть в порівнянні зі струмом в прово дніке 4 односторонніми з різницею по фазі щодо провідника 4, сумірною з 0,3λраб. З урахуванням того, що провідники Шлеф-вібратора 6 і 7 рознесені в просторі на відстань, порівнянне з 0,2λраб від провідника 4, на висоту рівнобедреного трикутника і паралельні, то утворена просторова система антеною решітки випромінюючих провідників створює направлене випромінювання електромагнітного поля по осі 3 , перпендикулярної розташуванню цих провідників. Додатково до цього, збільшені струми в провідниках 5, розташованих симетрично, але під кутом до цієї осі, також випромінюють в простір електромагнітне поле, але з взаємної компенсацією зустрічних поздовжніх складових і інтегруються в загальний сумарний випромінюється електромагнітне поле односторонньо спрямованих поперечних складових, від різних сторін . Таким чином, на відміну від випромінюючих систем з сполучними лініями, що вносять неузгодженість і загасання, в запропонованому технічному рішенні всі провідники беруть участь у випромінюванні електромагнітного поля, забезпечуючи сумарне підвищення коефіцієнта спрямованої дії системи. У свою чергу, система з двох активних вібраторів різної довжини, що беруть участь у випромінюванні електромагнітного поля, забезпечує розширення робочої смуги частот. Крім цього, з огляду на те, що апертури в площині розташування провідників і в площині, перпендикулярній їй, різні, то і кути розчину діаграми спрямованості в площині їх розташування і в площині, перпендикулярній їй, будуть різними.
Доводи по роботі технічного рішення по винаходу підтверджують результати комп'ютерного моделювання (фіг.2, 3). Активний антенний треугольно-петлевий елемент з розмірами по поздовжній протяжності, рівній 0,2λраб. володіє секторної спрямованістю з різними кутами розчину діаграми спрямованості в площині розташування провідників вібраторів і в площині, перпендикулярній їй, зі збільшеним коефіцієнтом посилення, рівним 6,4 dB, що вище суми окремо взятих вібраторів. Ставлення F / B прямого випромінювання до зворотного дорівнює 14 dB, що характеризує перешкодозахищеність, відповідну 6 - 8-елементним антен Уда-Яги, в 3 рази більшою поздовжньої протяжністю. Робоча смуга частот пропонованого винаходу в 1.5 рази ширше, ніж у прототипу. На відміну від прототипу, у пропонованого технічного рішення точки нульового потенціалу обох вібраторів можуть бути з'єднані провідником без зміни роботи пристрою, тобто мати металеву несучу траверсу, що забезпечує підвищений захист від статичної електрики і грозозахист, надійність і спрощення експлуатації.
Активний антенний треугольно-петлевий елемент Мілкіна, що містить розташовані симетрично щодо загальної осі петльові вібратори, встановлені перпендикулярно напрямку прийому електромагнітних хвиль і з'єднані між собою, що відрізняється тим, що петльові вібратори розташовані в одній площині, один з них виконаний у формі рівнобедреного трикутника з основою 0 , 4λраб і бічними сторонами 0,3λраб. інший петлевий вібратор є шлейф-вібратор Пістолькорса з двох паралельних лінійних провідників, один з яких нерозрізний, інший розрізний в середній частині з розміщенням в ній точок харчування, в яких обидва вібратора з'єднані між собою з перехрещуванням бічних сторін рівнобедреного трикутного вібратора.