Всеволновая наружная телевизионная антенна для индивидуального приема

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована при приеме сигналов телевизионного вещания в метровом и дециметровом диапазонах длин волн. Полезная модель направлена на расширение полосы согласования всеволновой антенны. Ее существо состоит в том, что для обеспечения уверенного приема во всех телевизионных диапазонах телевизионная антенна выполнена в виде совокупности широкополосного вибратора метрового диапазона длин волн, антенны логопериодического типа дециметрового диапазона длин волн, выходы которых объединяются через антенную коробку, в которой размещены фильтр сложения сигналов и симметрирующе-согласующее устройство. Широкополосный вибратор содержит два плеча, каждое из которых выполнено из трех отрезков. Длина первого отрезка от узла возбуждения вибратора до первого разрыва соответствует длине плеча полуволнового вибратора пятого канала, длина первого и второго отрезков от узла возбуждения до второго разрыва - длине плеча полуволнового вибратора третьего канала, в первом и втором разрывах каждого из плеч вибратора установлены индуктивные элементы, величины индуктивности которых составляют соответственно 0,1 мкГн и 0,9 мкГн. Антенна логопериодического типа дециметрового диапазона длин волн содержит стрелу в виде верхней и нижней труб, элементы антенны, установленные перпендикулярно оси симметрии стрелы. Для снижения отражений в полосе рабочих частот на торцах элементов антенны размещены симметричные зонды. Длина каждого зонда составляет 0,1 длины вибратора, на котором установлен зонд.

Полезная модель относится к наружным телевизионным антеннам для индивидуального приема и может быть использована при приеме сигналов телевизионного вещания в метровом (1-й - 12-й каналы) и дециметровом (21-й - 69-й каналы) диапазонах длин волн.

Известны наружные телевизионные антенны для индивидуального приема, предназначенные для работы в одном, двух или в пяти телевизионных диапазонах частот [1-7]. Большинство промышленных вариантов подобных антенн в метровом диапазоне волн (1-3 телевизионные диапазоны частот) выполнены на базе широкополосного вибратора, плечи которого располагаются в виде буквы V с углом между ними 120°, а выходы плеч через симметрирующе-согласующий трансформатор подключены к коаксиальному кабелю 75 Ом. Симметрирующе-согласующий транформатор размещен в антенной коробке [2, с.163].

Основным недостатком подобных антенн является ограниченность частотного диапазона по входному сопротивлению и по диаграмме направленности (ДН) из-за значительной частотной зависимости распределения тока вдоль плеч вибратора. Следствием значительного изменения входного сопротивления является высокое значение коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) в 1-м телевизионном диапазоне частот и в 3-м телевизионном диапазоне частот. Так, КСВН в диапазонах частот (48,5-56,5) МГц, (174-179) МГц и (214-230) МГц превышает значение 6-10 даже при наличии согласующего устройства.

Для снижения КСВН на входе антенны и расширения полосы согласования системы питания телевизионные антенны выполняются по схеме с «эхопоглощением», что обуславливает значительные массогабаритные характеристики

антенн, однако не обеспечивает полную компенсацию отраженных волн [8].

Известна всеволновая наружная телевизионная антенна для индивидуального приема, имеющая по ГОСТу Р51269-99 обозначение АТИГ - 7.11-12.21 - 60.01. По сравнению с описанными аналогами для работы в IV и Vтелевизионных диапазонах частот широкополосный вибратор с антенной коробкой дополнен логопериодической вибраторной антенной и фильтром сложения сигналов. Антенна состоит из широкополосной вибраторной антенны метрового диапазона длин волн АТИГ - 6.11-12.01 и антенны логопериодического типа дециметрового диапазона длин волн АТИГ - 5.2.21-60.3 [2, с.198], выходы которых объединяются с коаксиальным кабелем 75 Ом через фильтр сложения сигналов, размещенный, как и симметрирующе-согласующее устройство, в антенной коробке.

Данная антенна является наиболее близким аналогом предлагаемой всеволновой наружной телевизионной антенны для индивидуального приема.

Существенным недостатком указанной антенны является высокое значение КСВН в 1-м телевизионном диапазоне частот, обусловленное недостаточной длиной плеч в метровом диапазоне длин волн (1150 мм - длина одного плеча антенны, что соответствует полуволновому вибратору во 2-м телевизионном диапазоне длин волн). Для наиболее низкой частоты 1-го телевизионного диапазона частот длина вибратора составляет примерно 0,37_н вместо 0,5_н и 0,44_н - во 2-м телевизионном диапазоне частот (_н - номинальная длина волны). В диапазоне частот (174-179) МГц длина вибратора антенны составляет (0,86-0,84) от рабочей длины волны вместо половины длины волны. Для диапазона частот (214-230 МГц) длина плеча также превышает половину длины волны несущего колебания. Для всех указанных диапазонов частот метрового диапазона волн КСВН антенны при отсутствии согласующего устройства находится в пределах 6-27, что недопустимо вследствие снижения, в этом случае, помехозащищенности и КПД приемной системы в целом [2]. В дециметровом диапазоне волн рассматриваемый прототип

антенны имеет КСВН порядка 2,5 во всем рабочем диапазоне длин волн, однако, в соответствие с [8], в технике телевизионного вещания в дециметровом диапазоне длин волн такое значение КСВН не удовлетворяет требованиям качественного приема телевизионных сигналов.

С целью устранения указанного недостатка во всеволновой наружной телевизионной антенне для индивидуального приема, состоящей из широкополосного вибратора метрового диапазона длин волн, плечи которого расположены в виде буквы V c углом между ними 120°, и антенны логопериодического типа дециметрового диапазона длин волн, содержащей стрелу в виде верхней и нижней труб, элементы антенны, установленные перпендикулярно оси симметрии стрелы, а также антенной коробки с расположенными в ней симметрирующе-согласующим устройством и фильтром сложения сигналов метрового и дециметрового диапазонов длин волн, каждое плечо широкополосного вибратора метрового диапазона длин волн выполнено в виде трех отрезков, причем длина первого отрезка от узла возбуждения вибратора до первого разрыва соответствует длине плеча полуволнового вибратора пятого канала, длина первого и второго отрезков от узла возбуждения до второго разрыва - длине плеча полуволнового вибратора третьего канала, в первом и втором разрывах каждого из плеч вибратора установлены индуктивные элементы, величины индуктивности которых составляют соответственно 0,1 мкГн и 0,9 мкГн. На торцах элементов антенны логопериодического типа размещены симметричные зонды, длина каждого из которых составляет 0,1 длины вибратора, на котором установлен зонд.

Введение двух индуктивных элементов в разрывы плеч широкополосного вибратора метрового диапазона длин волн позволяет:

- увеличить эквивалентную длину антенны в 1-м и 2-м телевизионных диапазонах частот без увеличения ее физических размеров;

- образовать в плечах вибратора режим, близкий к режиму бегущей волны тока, обеспечивающий улучшение импедансных характеристик, и, в итоге, снизить КСВН во всем метровом диапазоне волн.

Аналогично, дополнение элементов антенны логопериодического типа симметричными зондами, размещенными перпендикулярно элементам на торцах последних, обеспечивает расширение полосы рабочих частот каждого из вибраторов, что приводит к снижению КСВН до уровня 1,9 в дециметровом диапазоне волн. Указанные дополнения обеспечивают снижение КСВН и повышение, за счет этого, помехозащищенности и КПД всеволновой наружной телевизионной антенны для индивидуального приема как в метровом, так и в дециметровом диапазонах длин волн.

Устройство полезной модели пояснено схемой, показанной на фигуре 1. На фигуре 2 приведена кривая зависимости, характеризующая поведение КСВН предложенной всеволновой наружной телевизионной антенны для индивидуального приема на выходе широкополосного вибратора в рабочей полосе частот, на фигуре 3 - кривая зависимости, характеризующая поведение активной R_e и реактивной j_m составляющих входного сопротивления в указанной полосе частот, на фигуре 4 - кривая зависимости, характеризующая поведение КСВН предложенной антенны в рабочей полосе частот при наличии согласующего устройства.

Всеволновая наружная телевизионная антенна для индивидуального приема состоит из широкополосного вибратора метрового диапазона волн, плечи 1, 2 которого образуют букву V с углом между ними 120°. Каждое из плеч широкополосного вибратора выполнено из трех отрезков: 1₁, 1₂, 1 ₃ и 2₁, 2₂, 2₃. В первом и втором разрывах каждого из плеч вибратора установлены индуктивные элементы 3 ₁, 3₂ и 4₁ и 4₂. Плечи вибратора закреплены на антенной коробке 5, в которой расположены симметрирующе-согласующее устройство и фильтр сложения сигналов метрового и дециметрового диапазонов волн. Соосно с широкополосным вибратором и антенной коробкой установлена стрела, состоящая из верхней 6 и нижней 7 труб. На трубах стрелы размещены элементы 8 антенны логопериодического типа дециметрового диапазона длин волн. Каждый из элементов 8 снабжен размещенным на торце симметричным зондом 9, длина которого составляет 0,1 длины соответствующего

элемента. Соединения плеч широкополосного вибратора с симметрирующе-согласующим устройством, симметрирующе-согласующего устройства и фильтра сложения сигналов метрового и дециметрового диапазонов длин волн, труб стрелы антенны логопериодического типа аналогичны соответствующим соединениям антенны - прототипа. Выход фильтра сложения сигналов метрового и дециметрового диапазонов волн подключен к коаксиальному кабелю 75 Ом.

Для обоснования необходимости модернизации всеволновой наружной телевизионной антенны для индивидуального приема были разработаны две методики расчета, базирующиеся на использовании метода интегрального уравнения в тонкопроволочном приближении, основанного на численном решении интегрального уравнения Поклингтона, представляющего собой интегральное уравнение Фредгольма первого рода, методом моментов при кусочно-постоянных базисных функциях. Возбуждение вибраторов в моделях производится б-генераторами напряжения, введенными в зазоры между вибраторами. Исходными данными являются

- Антенна метрового диапазона длин волн [2, с.171-173, 198]

Диапазон рабочих частот, определяемый нижеприведенной частотной ситуацией

Длина плеч широкополосного вибратора составляет 1150 мм, угол разведения плеч-трубок в горизонтальной плоскости в виде буквы «V» составляет 120°.

- Широкополосная антенна дециметрового диапазона длин волн [3, с.191, 198].

Полоса рабочих частот 470...790 МГц

Число вибраторов - 9.

Размеры, указанные выше, взяты из [2, с.191].

Основные результаты численных исследований приведены в Приложении 1. Как следует из анализа полученных данных, для антенны-прототипа в метровом диапазоне длин волн КСВН на входе вибратора составляет 27,0 на частоте f=48,5 МГц (при диаметре трубки плеча вибратора D=8 мм) и 21,0 (D=14 мм). На верхнем участке метрового диапазона длин волн КСВН колеблется в районе значений 10-11 (фигуры П1.1 и П1.2 Приложения 1). Приведенные частотные зависимости реальной R_e и мнимой J_m составляющих входного сопротивления показывают их значительный (более чем в 3-35 раз) разброс в диапазоне частот 48,5-100 МГц и 174-230 МГц.

Введение первой индуктивной нагрузки 3i, 3z величиной 7=0,1 мкГн на расстоянии l=0,77 м от узла возбуждения, что соответствует длине плеча вибратора полуволнового вибратора пятого канала, и второй индуктивной нагрузки 4₁, 4 ₂, установленной на расстоянии l=0,94 м от узла возбуждения, соответствующем длине плеча полуволнового вибратора третьего канала, обеспечивает снижение вариаций входного сопротивления (фигура П1.4) и, как следствие, изменений КСВН, значение которого в рабочем диапазоне частот не превышает 10,0-11,0 на входе вибратора (фигура П1.3), а при введении согласования на центральной частоте f=174, МГц - значения 6,0 (фигура П1.5) при диаметре трубки плеча D=8 мм при величине индуктивности 4₁, 4 ₂ L=0,9 мкГн. При диаметре трубки D=14 мм вариации КСВН на входе вибратора не превышают 10,0 (фигура П1.6) и при согласовании на частоте f=174 МГц -значения 5,5 (фигура П1.8) при том же значении индуктивности 4₁, 4₂ . При увеличении диаметра трубки уменьшаются и изменения компонент входного сопротивления (фигура П1.7). Сказанное иллюстрируется и кривыми зависимостей, представленными на фигуре 2 - фигуре 4, для предложенной антенны.

Для антенны логопериодического типа-прототипа, как следует из данных таблицы П1.1, КСВН превышает значение 2,3. Введение симметричных зондов 9, размещенных на торцах элементов 8 параллельно трубам 6 и 7, позволяет снизить верхнее значение КСВН до 1,8-1,9 вследствие снижения вариаций реальной и мнимой составляющих входного сопротивления.

Всеволновая наружная телевизионная антенна для индивидуального приема работает следующим образом.

При приеме ТВ сигнала указанная антенна имеет интенсивно возбуждаемый раскрыв. В метровом диапазоне волн за счет обеспечения увеличенной длины антенны в 1-м и 2-м телевизионных диапазонах частот и образования в плечах вибратора режима, близкого к режиму бегущей волны тока, создается наиболее оптимальный прием с примерно постоянными импедансными характеристиками. Аналогичный процесс происходит и в антенне логопериодического типа дециметрового диапазона длин волн. Возбужденная в двухпроводной линии передачи, образованной трубами 6 и 7, ТЕМ волна распространяется в сторону больших плеч элементов 8 с зондами 9. В элементах 8 создаются стоячие волны тока, амплитуда которых тем больше, чем ближе размеры плеч к резонансным. Плечи элементов, размеры которых близки к резонансным, образуют активную область антенны логопериодического типа, излучающей в сторону меньших вибраторов. Введение зондов 9, расширяя полосу пропускания каждого элемента, увеличивает и активную область, что обеспечивает более плавный характер входного сопротивления и, как следствие, приводит к снижению КСВН при улучшении энергетических характеристик антенны.

Таким образом, использование предложенной полезной модели позволяет расширить полосу согласования всеволновой наружной телевизионной антенны:

- в метровом диапазоне длин волн - за счет выполнения каждого из плеч широкополосного вибратора из трех отрезков, с введенными в разрывы двумя индуктивными элементами;

- в дециметровом диапазоне длин волн - за счет размещения на торцах элементов антенны симметричных зондов.

Литература

1. Шпиндер Э. Практические конструкции антенн: Пер. с нем. - М.: Мир, 1989. - 448с.

2. Носов Ю., Кукаев А. Энциклопедия отечественных антенн для коллективного и индивидуального приема телевидения и радиовещания. - М.: Солон-Р, 2001. - 251с.

3. Леонов В.А., Худяков К.И. Обзор телевизионных антенн отечественного производства // Антенны. 2003, Вып. 12 (79), С.16-22.

4. Кисмерешкин В.П. Телевизионные антенны для индивидуального приема. -М.: Радио и связь, 1982. - 88с.

5. Ротхаммель К. Антенны. - М.: Энергия, 1979. - 320с.

6. Беньковский 3., Липинский Э. Любительские антенны коротких и ультракоротких волн. - М.: Радио и связь, 1983. - 480с.

7. Родионов В.М. Линии передачи и антенны УКВ. - М.: Энергия, 1977. - 96с.

8. Красильников А.Д.. Невский А.В. Пространственные и импедансные характеристики антенн многопрограммного ТВ-вещания с реактивными элементами в составе излучателей //Антенны, 2003, вып. 9 (76), с.58-61.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВСЕВОЛНОВОЙ НАРУЖНОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ АНТЕННЫ ДЛЯ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ПРИЕМА

Антенна метрового диапазона длин волн

Принятые обозначения:

КСВН - коэффициент стоячей волны по напряжению;

R _e Z_вх - активная составляющая входного сопротивления вибратора (на входе вибратора);

J _m Z_вx - реактивная составляющая входного сопротивления вибратора;

D - диаметр трубки плеча широкополосного вибратора метрового диапазона волн в мм.

Для удобства исследования проводились не в двух диапазонах метровых волн: 48,5-100 МГц и 174-230 МГц - а в непрерывной полосе частот 48,5-299,5 МГц, что позволяет производить согласование для предложенной антенны на частоте г=174 МГц, хотя это не является принципиальным.

Фигуры П1.1 и П1.2 характеризуют поведение КСВН антенны-прототипа и составляющих входного сопротивления указанной антенны при диаметрах трубок плеч D=8 мм и D=14 мм.

На фигурах П1.3 и П1.6 верхний график отражает поведение КСВН предложенной антенны - широкополосного вибратора с двумя индуктивными нагрузками 3₁ и 3₂ и 4₁ и 4 ₂. Величина индуктивности 3₁ и 3 ₂ фиксирована и составляет L=0,1 мкГн, а величина индуктивности 4₁ и 4₂ менялась: для верхнего графика она равна 0,4 мкГн, для среднего - 0,9 мкГн и для нижнего графика - 1,2 мкГн. Зависимости на фигуре П1.3 соответствуют диаметру D=S мм, на фигуре П1.6 - D=14 мм. Как следует из анализа приведенных данных, оптимальными величинами являются диаметр D=14 мм и величина второй индуктивности L=0,9 мкГн.

На фигурах П1.4 и П1.7 приведены частотные зависимости активной R_e. и мнимой Jm составляющих входного сопротивления Z_вx соответственно для диаметров трубок плеч вибратора D=8 мм и D=14 мм. Как и на вышеприведенных фигурах, три графика соответствуют указанным ранее значениям второй индуктивности 4₁ и 4 ₂.

На фигурах П1.5 и П1.8 представлены кривые зависимостей КСВН при введении согласования на средней частоте f=174 МГц. Согласование, не являясь оптимальным, все же обеспечивает устойчивое согласование во всем частотном диапазоне для метровых волн.

Антенна логопериодического типа дециметрового диапазона длин волн.

Рассмотрим электрические характеристики антенны логопериодического типа, содержащей 9 вибраторов, функционирующей в полосе частот 470-790 МГц. Размеры вибраторов и расстояния между ними при диаметре вибраторов D, равном 6 мм, взяты из [2, с.191], т.е. антенны - прототипа дециметрового диапазона волн. Результаты расчетов сведены в таблицу П1.1.

Принятые обозначения:

F, МГц - исследуемые диапазоны рабочих частот;

КУ, дБ - коэффициент усиления;

КСВН - коэффициент стоячей волны по напряжению;

R_e Z_вx, Ом - реальная компонента входного сопротивления;

J_m Z_вx, Ом - мнимая компонента входного сопротивления.

Анализ полученных результатов, частично иллюстрируемых в таблице 3, показывает, что КСВН в средней части диапазона частот (с 586 МГц) и до конца диапазона превышает 2,0, хотя по требованиям, изложенным в [2], его значение не должно превышать 2.0.

Численные исследования, проведенные для предложенной антенны логопериодического типа, показывают, что введение симметричных зондов 9 обеспечивает уменьшение вариаций Z_вx: как активной, так и реактивной компонент от 4 до 8 процентов, что позволяет снизить КСВН до значений 1,8-1,9 во всех диапазонах рабочих частот.

Всеволновая наружная телевизионная антенна для индивидуального приема, состоящая из широкополосного вибратора метрового диапазона длин волн, плечи которого расположены в виде буквы V с углом между ними 120°, антенны логопериодического типа дециметрового диапазона длин волн, содержащей стрелу в виде верхней и нижней труб, элементы антенны, установленные перпендикулярно оси симметрии стрелы, а также антенной коробки с расположенными в ней симметрирующе-согласующим устройством и фильтром сложения сигналов метрового и дециметрового диапазона волн, отличающаяся тем, что каждое плечо широкополосного вибратора выполнено в виде трех отрезков, причем длина первого отрезка от узла возбуждения вибратора до первого разрыва соответствует длине плеча полуволнового вибратора пятого канала, длина первого и второго отрезков от узла возбуждения до второго разрыва - длине плеча полуволнового вибратора третьего канала, в первом и втором разрывах каждого плеча вибратора установлены индуктивные элементы, величины индуктивностей которых составляют 0,1 мкГн и 0,9 мкГн, а на торцах элементов антенны логопериодического типа размещены симметричные зонды, длина каждого из которых составляет 0,1 длины вибратора, на котором установлен зонд.