Диапазонная антенна (варианты)

Диапазонная антенна (варианты)

Реферат

 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве телевизионной приемной антенны для приема сигналов в диапазонах МВ и ДЦВ. Цель изобретения - разработка компактной антенны, обеспечивающей прием сигналов в двух значительно разнесенных частотных поддиапазонах. Антенна состоит из рамки 1, к средней точке которой подключен проводнике 2 и блока развязка 3, включающего в общем случае коммутатор и симметрирующее устройство. Описаны два варианта антенны с одним общим для двух поддиапазонов фидером и с двумя фидерами; один 4 для н.ч. поддиапазона, другой 5 для в.ч. поддиапазона. Антенна может применяться в качестве комнатной или встроенной для переносного телевизионного приемника. Приведены результаты экспериментальных исследований. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к классу диапазонных УКВ антенн и, в частности предлагаемые телевизионные двухдиапазонные антенны могут быть использованы в качестве комнатных телевизионных антенн, обеспечивающих одновременный и независимый прием телевизионных каналов (ТВК) метровых волн (МВ) и ТВК дециметровых волн (ДЦВ).

Известны диапазонные ультракоротковолновые (УКВ) антенны: симметричный вибратор с шунтом (Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. М.: Энергия, 1975, с. 337, рис. 9-2б), в котором за счет выбора соотношений геометрических размеров и формы шлейфа, точек его подключения и волнового сопротивления фидера достигается приемлемое согласование с фидером в четырехкратном диапазоне волн. Однако такая антенна не обеспечивает сохранение формы диаграммы направленности (ДН) в таком же диапазоне.

Известна также комнатная антенна для приема передач в диапазоне ДЦВ, имеющая вид волнового вибратор с пониженным волновым сопротивлением с плечами треугольной формы (Шпиндер Э. Практические конструкции антенн: пер. с нем. - М. : Мир, 1989, с. 249, рис. 4.128), однако она имеет недостаточный диапазон рабочих частот, не более чем двухкратный.

Наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемой является известная антенна (заявка Японии N 60-79804 А, опубл. 6.09.85 г.). Антенна состоит из рамочного излучателя, подключенного к входам блока развязки, объединяющего два независимых тракта: радиоприемника и пеленгатора. С помощью коммутатора, входящего в состав блока развязки, излучатель может быть подключен по симметричной схеме к входу тракта пеленгатора, либо по несимметричной к входу радиоприемника. Блок развязки может иметь один выход, к которому с помощью дополнительного переключателя подключаются выходы трактов радиопеленгатора или радиоприемника. К выходу блока развязки подключен высокочастотный (в.ч.) фидер, который в зависимости от режима работы подключен или к входу радиоприемника или радиопеленгатора. В другом исполнении блок развязки снабжен двумя выходами, к которым подключены в.ч. фидеры соответственно радиоприемника и радиопеленгатора. В обоих режимах устройство работает в одном частотном диапазоне.

Недостатком прототипа является то, что в нем не обеспечивается возможность работы в двух значительно разнесенных частотных диапазонах.

Цель изобретения - разработка диапазонной антенны, обеспечивающей одновременную и независимую работу в двух значительно разнесенных поддиапазонах с согласованием на уровне коэффициента стоящей волы (КСВ) не более 2.

В первом варианте исполнения предлагаемого устройства поставленная цель достигается тем, что в известной диапазонной антенне, содержащей излучающий элемент, подключенный к входам блока развязки (БР), включающего коммутатор, входы которого являются входами блока развязки, к первому и второму выходам блока развязки подключены соответственно фидеры двух независимых каналов, излучающий элемент выполнен в виде рамки, к средней точке которой подключен проводник. К первому и второму выходам блока развязки подключены соответственно фидеры низкочастотного (н.ч.) и высокочастотного (в.ч.) каналов. Периметр рамки выбран равным средней длине волны в.ч. канала.

БР состоит из коммутатора и симметрирующего устройства (СУ). Входы коммутатора и его первый выход связаны соответственно со входами и первым выходом БР. Два других выхода коммутатора подключены к входам СУ, выход которого связан с вторым выходом БР.

Реализация коммутатора может быть в нескольких вариантах. В частности: в виде двухпозиционного переключателя, средняя пара контактов которого подключена ко входам блока развязки, пара контактов первого положения замкнута между собой и подключена к первому выходу БР, а пара контактов второго положения - ко входам СУ. В другом варианте коммутатор может быть выполнен в виде индуктивного сопротивления, подключенного одновременно ко входам БР и входам СУ, а его средняя точка связана с первым выходом БР. Величина индуктивности L_с при этом выбрана из условия L_с100L_р, где L_р - индуктивность рамки. Проводник, подключенный к средней точке рамки может быть выполнен с возможностью изменения его длины (телескопическим, из набора сочленяемых колен и т.п.). Проводник установлен вдоль оси симметрии рамки, копланарно с ее плоскостью и вне плоскости рамки.

Во втором варианте исполнения предлагаемого устройства поставленная цель достигается тем, что в известной диапазонной антенне, содержащей излучающий элемент, подключенный к входам блока развязки, включающего коммутатор, входы которого являются входами блока развязки, и фидер двух независимых каналов, подключенный к выходу блока развязки, излучающий элемент выполнен в виде рамки, к средней точке которой подключен проводник. Фидер, подключенный к выходу блока развязки является фидером н.ч. и в.ч. каналов, а периметр рамки выбран равным средней длине волны в.ч. канала.

Блок развязки в одном из вариантов реализации состоит из коммутатора и симметриурющего устройства. Входы коммутатора и его первый выход связаны соответственно со входами и выходом блока развязки. Второй и третий выходы коммутатора связаны с входами, а четвертый - с выходом симметрирующего устройства. Коммутатор выполнен в виде двухпозиционного переключателя, содержащего среднюю тройку контактов, тройку контактов первого положения и тройку контактов второго положения. Два контакта средней тройки подключены ко входам, а ее третий контакт к выходу блока развязки. Контакты тройки первого положения замкнуты между собой. Два контакта тройки второго положения подключены ко входам, а третий - к выходу симметрирующего устройства.

Во втором варианте реализации БР состоит из коммутатора, СУ и фильтра. Входы коммутатора и его первый выход связаны соответственно со входами БР и первым входом фильтра. Второй выход коммутатора связан с входами СУ, выход которого подключен ко второму входу фильтра. Выход фильтра подключен к выходу БР. При таком исполнении БР, входящий в его состав коммутатор может быть выполнен в виде индуктивного сопротивления, которое подключено как к входам БР, так и к входам СУ. Средняя точка индуктивного сопротивления подключена к первому входу фильтра. Индуктивность L_с выбрана из условия L_с100L_р, где L_р - индуктивность рамки. Так же как и в первом варианте антенны и во втором варианте проводник, подключенный к средней точке рамки может быть выполнен с возможностью изменения его длины.

Указанная совокупность признаков как первого, так и второго вариантов предлагаемой антенны обеспечивает ее работу в двух значительно разнесенных частотных поддиапазонах, что не требует применения двух комплектов антенн. Антенна компактна, технологична и может быть использована не только как комнатная, но и в составе переносных телевизоров.

На фиг. 1 показана антенна в первом варианте и элементы ее схемы, общий вид; на фиг. 2 - антенна во втором варианте и элементы ее схемы, общий вид; на фиг. 3 - рисунки, поясняющие принципы работы устройства; на фиг. 4 - пример реализации симметрирующего устройства; на фиг. 5 и 6 - результаты экспериментальных измерений.

Предлагаемая антенна (первый вариант), показанная на фиг. 1,а, состоит из рамки 1, выполненной из провода диаметром "a", общей длиной "p", охватывающим площадь "S". К средней точке рамки (точка "o"), являющейся точкой нулевого потенциала, подключен проводник 2 длиной l. Проводник установлен вдоль оси симметрии рамки, компланарно с плоскостью рамки и вне ее площади. Проводник 2 может быть выполнен с возможностью изменения его физической длины (телескопическим, из набора сопрягаемых колен и т.п.). Общая высота антенны L равна сумме высот рамки 1 и проводника 2. Рамка подключена к входам "с"-"с'" БР 3, к выходам "м"-"м'" подключены: фидер н.ч. канала 4 и фидер в. ч. канала 5. БР 3 включает (фиг. 1,б): коммутатор 6, входы которого связаны с входами "с"-"с'" БР 3, а его первый выход с выходом "м" БР 3. Два других выхода коммутатора подключены ко входам СУ 7, выход которого связан с выходом "м'" БР 3. Коммутатор, показанный на фиг. 1,в, представляет собой двухпозиционный переключатель. Его средние контакты подключены ко входам "с"-"с'" БР 3. Пара контактов I-го положения замкнуты между собой и подключены к выходу "м" БР 3. Пара контактов II-го положения связана со входами СУ 7. Коммутатор, показанный на фиг. 2,г, выполнен в виде индуктивного сопротивления 8, подключенного одновременно ко входам "с"-"с'" БР 3 и входам СУ 7. Средняя точка индуктивного сопротивления 8 (точка "k") подключена к выходу "м" БР 3.

Предлагаемая антенна (второй вариант), показанная на фиг. 2, состоит из рамки 1 периметром "p" из проводника диаметром "a", к средней точке которой подключен проводник 2 длиной l, и блока развязки (БР) 3, к входам "с"-"с'" которого подключена рамка 1. К входу "т" БР 3 подключен фидер 4. Периметр "p" рамки выбран равным средней длине волны в.ч. участка рабочего диапазона волн. БР 3 может быть реализован в двух вариантах. В первом (фиг. 2,б) он состоит из коммутатора 5 и согласующего устройства (СУ) 6. Первый 5.1 и второй 5.2 входы коммутатора 5 подключены к входам БР 3. Первый выход 5.3 коммутатора 5 связан в выходом "т" БР 3. Второй 5.4 и третий 5.5 выходы коммутатора 5 связаны с выходами 6.1 и 6.2 СУ 6. Выход 6.3 СУ 6 подключен к третьему входу 5.6 коммутатора 5. В этом случае коммутатор 5 представляет собой двухпозиционный переключатель (фиг. 2,в). Контакты средней тройки подключены следующим образом: два (на фиг. 2,в левый и правый) подключены ко входам "с"-"с'", а третий (средний) - к выходу "т" БР 3. Тройка контактов первого положения замкнута между собой. Тройка контактов второго положения подключена следующим образом: два (на фиг. 2,в левый и правый) связаны с входами 6.1 и 6.2 СУ 6, а третий (средний) с выходом 6.3 СУ 6.

Во втором исполнении БР 3 (фиг. 2,г) состоит из коммутатора 5, СУ 6 и фильтра 7. Выходы 5.4 и 5.5 коммутатора подключены ко входам 6.1 и 6.2 СУ 6. СУ 6 связано с первым входом фильтра 7. Ко второму входу фильтра 7 подключен выход 5.3 коммутатора. В этом случае коммутатор 5 может быть реализован в виде индуктивного сопротивления 8, которое одновременно подключено к входам 5.1 и 5.2 и выходам 5.4 и 5.5. Средняя точка индуктивного сопротивления 8 (точка "к") подключена к выходу 5.3. Величина индуктивности L_с выбрана из условия L_с10²L_р, где L_р индуктивность рамки.

Схема построения фильтра известна. В частности в предлагаемом устройстве может быть использован фильтр сложения (Копчинский Л.М. Конструирование и изготовление телевизионных антенн М.: Радио и связь, 1993, с. 75, рис. 54).

Периметр рамки "p" выбирается равным средней длине волны в.ч. канала. Конфигурация рамки в первом и во втором вариантах антенны может быть произвольной: круглой, в виде многоугольника и т.д.

В качестве симметрирующего устройства может быть применен любой из известных, подходящий по конструктивным соображениям, вариант (Антенны./Под ред. Муравьева Ю.К., Л-ВКАС, часть 1, 1963, с. 583-600. В частности, в качестве одного из возможных вариантов можно использовать согласующее устройство из отрезков кабеля, показанное на рис. 35. 24, указанной книги и приведенное на фиг. 4 описания заявки.

Предлагаемая антенна (первый вариант) работает следующим образом. Фидер 4 подключают к н.ч. тракту (входу ТВК МВ), фидер 5 - к в.ч. тракту (входу ТВК ДМВ). При приеме ТВК МВ входы рамки с помощью коммутатора 6 (фиг. 1,в) оказываются замкнуты друг с другом парой контактов I положения (переключатель в положении I на фиг. 1,в) или индуктивным сопротивлением 8 (фиг. 1,г) и подключенными к выходу "м" БР (на фиг. 1,г через среднюю точку "k" индуктивного сопротивления 8). Таким образом, антенна в данном случае представляет собой неоднородный несимметричный вибратор, нижняя часть которого высотой h определена высотой рамки 1, а верхняя, высотой l проводника 2 (фиг. 3, а). Электрическая длина вибратора будет определяться отношением L/_р, где _р - рабочая длина волны н.ч. поддиапазона (длина волны ТВК МВ), и может регулироваться длиной проводника 2 в случае его выполнения с возможностью изменения длины (например телескопическим). Оптимальной является высота, при которой L/_р = 0.25. При приеме ТВК ДМВ входы рамки с помощью коммутатора оказываются подключенными ко входу симметрирующего устройства 7 (на фиг. 1, в через пару контактов II положения, на фиг. 1,г - непосредственно). И далее с выхода СУ 7 к выходу "м" БР 3. Следовательно, в данном режиме антенна представляет собой рамочный элемент (фиг. 1,б с параметром p = _ср, где _ср - средняя длина волны в.ч. поддиапазона (диапазона ТВК ДМВ). Вертикальный проводник 2 при этом на работу антенны не влияет, так как оказывается подключенным к точке ее нулевого потенциала.

Из рассмотренного принципа работы следует, что при исполнении коммутатора в варианте, показанном на фиг. 1,в, и работе в н.ч. (в.ч.) поддиапазоне необходимо переключатель установить в I (II) положении. При исполнении коммутатора в варианте, показанном на фиг. 1,г, такой переход происходит автоматически в зависимости от выбранного переключателем каналов телевизора поддиапазона. Действительно, на частотах ТВК МВ неоднородный несимметричный вибратор подключен через среднюю точку индуктивного сопротивления к выходу "м" н. ч. тракта. При этом индуктивность выполняет дополнительную функцию удлинительной катушки (фиг. 3,а). Это дает возможность без ухудшения качества согласования уменьшить общую высоту антенны L, т.е. сделать ее более компактной.

Одновременно, индуктивное сопротивление 8 не оказывает влияния на в.ч. тракт, так как при выполнении условия L_с100L_р его сопротивление не менее чем в 100 раз выше сопротивления рамки. При известных конструктивных параметрах рамки: a, p, S ее индуктивность определяется известным соотношением: L_р = 2 pln(2S/ap)10^-7 Гн. Отмеченное обеспечивает развязку каналов без каких-либо механических коммутаций.

Во втором варианте предлагаемой антенны, показанном на фиг. 2, принцип работы аналогичен принципу работы варианта антенны с коммутатором, показанным на фиг. 1. Однако, этот вариант предпочтительнее при использовании телевизионного приемника с одним антенным входом (МВ - ДЦВ).

Так, при выполнении коммутатора 5 по схеме, показанной на фиг. 2,в, переключатель устанавливают в I-е положение. При этом рамка 1 через входы 5.1, 5.2 и контакты первого положения оказывается подключенной через выход 5.3 коммутатора к выходу "т" БР 3. Имеет место схема неоднородного вибратора высотой L=h+I. Антенна работает в диапазоне ТВК МВ. При работе в диапазоне ТВК ДЦВ переключать устанавливают во II-е положение. В этом случае рамка 1 через входы 5.1, 5.2 и выходы 5.4, 5.5 коммутатора 5 оказывается подключенной ко входам 6.1 и 6.2 СУ 6, а с выхода 6.3 СУ 6 через вход 5.6 коммутатора 5 оказывается подключенной к выходу "т" БР 3. Имеет место схема рамочной антенны (фиг. 3,б).

При исполнении БР 3 по схеме, показанной на фиг. 2,г, д, за счет использования индуктивного сопротивления к входам фильтра 7 одновременно оказываются подключены как неоднородный вибратор с выхода 5.3 коммутатора 5, так и рамка с выхода 6.3 СУ 6. С выхода фильтра 7 обе антенны подключаются к общему выходу "т" БР 3. При любом ТВК, включенном на пульте телевизионного приемника, обеспечивается прием сигналов без каких-либо манипуляций с антенной.

Работоспособность предлагаемой антенны проверена на опытном образце, выполненном в натуральную величину, и предназначенном для приема I - XII ТВК МВ и 21-42 ТВК ДВМ (f_ср = 560 МГц). Рамка периметром 536 мм в форме квадрата была выполнена из медного прутка диаметром 5 мм (S = 1,7910^-2 м²). В качестве проводника, подключенного к средней точке рамки, использован телескопический штырь. В полностью развернутом положении его длина составляет 1,5 м; в свернутом - 0,2 м. Индуктивное сопротивление выполнено в виде катушки индуткивности с индуктивностью L_с = 1 мк Гн из медного провода диаметром 0.1 мм. В качестве симметрирующего устройства использована линия задержки в печатном исполнении. На фиг. 5 показаны результаты измерения качества согласования. При измерениях на частотах I - XII ТВК МВ длина телескопического штыря изменялась для достижения лучшего согласования, т.е. L/_р = 0.25 (кривая 1). Кривая 2 на фиг. 5 отражает результаты проверки согласования на ТВК ДМВ. На фиг. 6 приведены диаграммы направленности в режиме МВ и ДМВ. Полученные результаты подтверждают возможность достижения поставленной цели.

Формула изобретения

1. Диапазонная антенна, содержащая излучающий элемент, подключенный к входам блока развязки, включающего коммутатор, входы которого являются входами блока развязки, к первому и второму выходам блока развязки подключены соответственно фидеры двух независимых каналов, отличающаяся тем, что излучающий элемент выполнен в виде рамки, к средней точке которой подключен проводник, при этом к первому и второму выходам блока развязки подключены соответственно фидеры низкочастотного и высокочастотного каналов, а периметр рамки выбран равным средней длине волны высокочастотного канала.

2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что в блок развязки дополнительно введено симметрирующее устройство, первый выход коммутатора соединен с первым выходом блока развязки, а второй и третий выходы коммутатора подключены к входам симметрирующего устройства, выход которого соединен с вторым выходом блока развязки.

3. Антенна по п. 2, отличающаяся тем, что коммутатор выполнен в виде двухпозиционного переключателя, средняя пара контактов которого подключена к входам коммутатора, контакты первого положения замкнуты друг с другом и подключены к первому выходу коммутатора, а пара контактов второго положения подключена соответственно к второму и третьему выходам коммутатора.

4. Антенна по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что коммутатор выполнен в виде индуктивного сопротивления, выводы которого являются одновременно входами и вторым и третьим выходами коммутатора, а средняя точка индуктивного сопротивления подключена к первому выходу коммутатора, причем индуктивность L_с индуктивного сопротивления выбрана из условия L_c 100 L_p, где L_p индуктивность рамки.

5. Антенна по пп. 1 и/или 2 4, отличающаяся тем, что проводник, подключенный к средней точке рамки, выполнен с возможностью изменения его длины.

6. Диапазонная антенна, содержащая излучающий элемент, подключенный к входам блока развязки, включающего коммутатор, входы которого являются входами блока развязки, и фидер двух независимых каналов, подключенный к выходу блока развязки, отличающаяся тем, что излучающий элемент выполнен в виде рамки, к средней точке которой подключен проводник, при этом фидер, подключенный к выходу блока развязки, является фидером низкочастотного и высокочастотного каналов, а периметр рамки выбран равным средней длине волны высокочастотного канала.

7. Антенна по п. 6, отличающаяся тем, что в блок развязки дополнительно введено симметрирующее устройство, первый выход коммутатора является выходом блока развязки, второй и третий выходы коммутатора подключены к входам, а третий вход к выходу симметрирующего устройства.

8. Антенна по п. 7, отличающаяся тем, что коммутатор выполнен в виде двухпозиционного переключателя, содержащего среднюю тройку контактов, тройку контактов первого и тройку контактов второго положения, два контакта средней тройки подключены соответственно к первому и второму входам коммутатора, а ее третий контакт к первому выходу коммутатора, контакты тройки первого положения замкнуты между собой, два контакта тройки второго положения подключены соответственно к второму и третьему выходам коммутатора, а третий - к третьему входу коммутатора.

9. Антенна по п. 6, отличающаяся тем, что в блок развязки дополнительно введены симметрирующее устройство и фильтр, первый выход коммутатора соединен с первым входом фильтра, второй и третий выходы коммутатора подключены к входам симметрирующего устройства, выход которого подключен к второму входу фильтра, выход которого является выходом блока развязки.

10. Антенна по п. 9, отличающаяся тем, что коммутатор выполнен в виде индуктивного сопротивления, выводы которого являются соответственно первым и вторым входами, а также вторым и третьим выходами коммутатора, а средняя точка индуктивного сопротивления подключена к первому выходу коммутатора, причем индуктивность L_с индуктивного сопротивления выбрана из условия L_c L_p, где L_p индуктивность рамки.

11. Антенна по пп. 6 и/или 7 10, отличающаяся тем, что проводник, подключенный к средней точке рамки, выполнен с возможностью изменения его длины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6