RU2048696C1

RU2048696C1 - Strophoid oscillating antenna

Info

Publication number: RU2048696C1
Authority: RU
Inventors: В.А. Колобов; Б.А. Левитан; Г.А. Полухин; Б.А. Ремизов; В.И. Рувинский; А.В. Шишлов; А.Г. Шубов
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Радиофизика"
Priority date: 1992-01-22
Filing date: 1992-01-22
Publication date: 1995-11-20

Abstract

FIELD: long receiving of TV programs in band of 1-12 channels. SUBSTANCE: device has symmetric oscillators, which are connected in alternation to two parallel tubes, carrying arrow which is shaped as tube, is positioned above first and second tubes, and is attached to top of carrying rod. In addition device has balancing unit, which is designed as stepwise jumper connected between coaxial line, which is located in first tube, and second tube. EFFECT: increased functional capabilities. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано при создании универсальных широкополосных антенных устройств дальнего приема телевизионных программ метрового и дециметрового диапазонов на границах зон уверенного приема для систем коллективного и индивидуального пользования. The invention relates to the field of antenna technology and can be used to create universal broadband antenna devices for long-distance reception of television programs of meter and decimeter ranges at the boundaries of reliable reception zones for collective and individual use systems.

Известны решетки логопериодических антенн, которые могут быть применены для широкополосного дальнего приема телевизионных программ практически всех каналов метрового и дециметрового диапазонов (Сверхширокополосные антенны//Пер. с анг. под ред. А.С.Бененсона. М. Мир, 1964, с. 281-276; патент США N 3460150, кл. 343-792.5, публ. 1971). Они имеют при высоком КУ неприемлемые для широкой эксплуатации массогабаритные характеристики и громоздкие конструкции. There are well-known lattices of log-periodic antennas that can be used for broadband long-distance reception of television programs of almost all channels of the meter and decimeter ranges (Ultra-wide-band antennas // Transl. From English under the editorship of A. Benenson. M. Mir, 1964, p. 281 -276; U.S. Patent No. 3460150, class 343-792.5, publ. 1971). At high KU they have unacceptable mass-size characteristics and bulky designs unacceptable for wide operation.

Известна логопериодическая вибраторная антенна (Сверхширокополосные антенны//Пер. с анг. под ред. А.Ч.Бененсона. М. Мир, 1964, с. 296-298); патент США N 3210766, кл. 343-792.5), содержащая двухпроводную распределительную линию, симметричные вибраторы, плечи которых размещены ортогонально распределительной линии и противофазно подключены к трубам распределительной линии, коаксиальную линию, размещенную в одной из труб распределительной линии и подключенную к ней, и опорную мачту. Недостатки этой логопериодической вибраторной антенны связаны с тем, что при ее использовании в качестве универсальной телевизионной антенны для дальнего приема телевизионных программ всех каналов, например метрового диапазона, и получение высокого КУ ее габаритные размеры составляют не менее 6 х 3 м. В этом случае для жесткости конструкции необходимо увеличивать диаметры труб распределительной линии и вводить массивный диэлектрический узел крепления средней части распределительной линии к опорной мачте. При этом из-за значительного отличия диаметров труб распределительной линии и диаметра коаксиальной линии, а также наличия узла крепления существенно снижается КУ, что может быть компенсировано еще большим увеличением габаритных размеров. Known log-periodic vibrator antenna (Ultra-wideband antennas // Transl. From English under the editorship of A.Ch. Benenson. M. Mir, 1964, S. 296-298); U.S. Patent No. 3,210,766, cl. 343-792.5), containing a two-wire distribution line, symmetrical vibrators, the shoulders of which are placed orthogonally to the distribution line and are out of phase connected to the pipes of the distribution line, a coaxial line placed in one of the pipes of the distribution line and connected to it, and a support mast. The disadvantages of this log-periodic vibrator antenna are that when it is used as a universal television antenna for long-distance reception of television programs of all channels, for example, a meter range, and obtaining a high KU, its overall dimensions are at least 6 x 3 m. In this case, for rigidity of the structure, it is necessary to increase the diameters of the pipes of the distribution line and introduce a massive dielectric attachment point for attaching the middle part of the distribution line to the support mast. At the same time, due to a significant difference in the diameters of the pipes of the distribution line and the diameter of the coaxial line, as well as the presence of the attachment point, the KU is significantly reduced, which can be compensated by an even larger increase in overall dimensions.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому техническому решению является широкополосная логопериодическая вибраторная антенна с высоким КУ для дальнего приема телевизионных программ метрового и дециметрового диапазонов, содержащая распределительную линию, петлевые вибраторы, экран и систему директоров (Шпиндлер Э. Практические конструкции антенн/Пер. с нем. под ред. В.В.Крицына. М. Мир, 1989; с. 167, рис. 4.47, с. 200-201). Эта антенна содержит распределительную линию, выполненную из первой и второй труб одинакового диаметра, установленных параллельно друг другу со смещением в одной плоскости относительно друг друга, симметричные петлевые вибраторы, плечи которых размещены ортогонально трубам и подключены к ним противофазно, коаксиальную линию, подключенную к трубам, несущую стрелу, выполненную в виде третьей трубы, и опорную мачту, при этом на конце третьей трубы, со стороны длинных симметричных вибраторов, ортогонально ей установлен экран, выполненный в виде плоской решетки параллельных отрезков проводника, короткозамкнутых стержнем в их средних точках. Петлевые симметричные вибраторы в средних точках "нулевых" токов закреплены на третьей трубе, которая с помощью металлического держателя установлена на опорной мачте. Третья труба размещена над первой и второй трубами. Трубы распределительной линии установлены на петлевых симметричных вибраторах. На входе распределительной линии в месте включения коаксиальной линии установлено симметрирующее согласующее устройство, в простейшем случае параллельно включенное коаксиальное U колено, согласующее входное сопротивление распределительной линии (≈300 Ом) с волновым сопротивлением коаксиальной линии (75 Ом). Closest to the technical nature of the proposed technical solution is a broadband log-periodic vibrator antenna with high KU for long-distance reception of television programs of meter and decimeter ranges, containing a distribution line, loop vibrators, a screen and a system of directors (E. Spindler. Practical antenna designs / Transl. With it Edited by V.V. Kritsyn, M. Mir, 1989; p. 167, fig. 4.47, p. 200-201). This antenna contains a distribution line made of the first and second pipes of the same diameter, mounted parallel to each other with an offset in the same plane relative to each other, symmetrical loop vibrators, the shoulders of which are placed orthogonally to the pipes and are connected to them in phase, a coaxial line connected to the pipes, a boom made in the form of a third pipe and a support mast, while at the end of the third pipe, from the side of long symmetrical vibrators, a screen is made orthogonal to it, made in in the form of a flat lattice of parallel segments of the conductor, short-circuited by a rod at their midpoints. Loop symmetrical vibrators at the midpoints of the "zero" currents are mounted on the third pipe, which is mounted on a support mast with a metal holder. The third pipe is placed above the first and second pipes. Distribution line pipes are mounted on symmetrical loop vibrators. At the input of the distribution line, at the point where the coaxial line is turned on, a balancing matching device is installed, in the simplest case, a parallel coaxial U elbow matching the input resistance of the distribution line (≈300 Ohm) with the wave impedance of the coaxial line (75 Ohm).

Недостатком известной логопериодической антенны на основе петлевых симметричных вибраторов является сложность конструкции, значительные ее длина и масса, необходимые для достижения высокого КУ. Для обеспечения согласования распределительной линии и коаксиальной линии в широком диапазоне волн, например метрового диапазона (1-12 каналы), необходимо применение сверхширокополосного согласующего устройства, выполненного в виде плавного коаксиального перехода, имеющего значительную длину 2-3 м. При использовании U колена диапазон работы антенны с высоким КУ существенно уменьшается. При этом эффект снижения КУ не может быть скомпенсирован во всем диапазоне частот за счет установки на третью трубу системы директоров. A disadvantage of the known log-periodic antenna based on loop symmetric vibrators is the design complexity, its considerable length and mass, necessary to achieve high gain. To ensure the coordination of the distribution line and the coaxial line in a wide wavelength range, for example, the meter range (1-12 channels), it is necessary to use an ultra-wideband matching device made in the form of a smooth coaxial transition having a significant length of 2-3 m. When using the U elbow, the operating range high-gain antennas are significantly reduced. At the same time, the effect of reducing KU cannot be compensated for in the entire frequency range due to the installation of a system of directors on the third pipe.

В основу изобретения положено такое выполнение логопериодической вибраторной антенны, которое обеспечивает повышение КУ во всем телевизионном диапазоне при одновременном улучшении массогабаритных характеристик конструкции. The basis of the invention is such an embodiment of a log-periodic vibrator antenna that provides an increase in gain over the entire television range while improving the overall dimensions of the structure.

Это достигается тем, что в логопериодической вибраторной антенне, содержащей распределительную линию, выполненную в виде первой и второй труб одинакового диаметра, установленных параллельно друг другу со смещением в одной плоскости относительно друг друга, симметричные вибраторы, плечи которых размещены ортогонально трубам и подключены к ним противофазно, коаксиальную линию, подключенную к трубам, несущую стрелу, выполненную в виде третьей трубы, при этом со стороны длинных симметричных вибраторов, ортогонально ей, установлен экран, выполненный в виде плоской решетки параллельных отрезков проводника, короткозамкнутых стержнем в их средних точках, третья труба установлена под первой и второй трубами, параллельно им на вершине опорной мачты, причем все три трубы конструктивно связаны между собой изоляторами, коаксиальная линия размещена внутри первой трубы. Введено согласующее устройство, размещенное в первой трубе у вершины антенны, со стороны коротких симметричных вибраторов, включенное между коаксиальной линией и второй трубой и выполненное в виде ступенчатого коаксиального перехода с внутреннего диаметра трубы на внутренний диаметр коаксиальной линии. This is achieved by the fact that in a log-periodic vibrator antenna containing a distribution line made in the form of the first and second pipes of the same diameter, mounted parallel to each other with offset in the same plane relative to each other, symmetrical vibrators, the shoulders of which are placed orthogonally to the pipes and are connected to them in phase , a coaxial line connected to the pipes, a boom, made in the form of a third pipe, while from the side of the long symmetrical vibrators orthogonal to it, a screen is installed, in space filled with a lattice plane parallel conductor segments, short-rod at their middle points, the third tube is mounted under the first and second tubes, parallel to them on top of the supporting mast, the three pipes structurally interconnected insulators coaxial line disposed within the first tube. A matching device is introduced, located in the first pipe at the top of the antenna, from the side of short symmetrical vibrators, connected between the coaxial line and the second pipe and made in the form of a stepped coaxial transition from the inner diameter of the pipe to the inner diameter of the coaxial line.

На фиг. 1 изображена логопериодическая вибраторная антенна, общий вид; на фиг. 2 согласующее устройство. In FIG. 1 shows a log-periodic vibrator antenna, general view; in FIG. 2 matching device.

Логопериодическая вибраторная антенна содержит распределительную линию 1, выполненную в виде двухпроводной линии из параллельных первой и второй труб 2 одинакового диаметра. Трубы 2 распределительной линии 1 размещены горизонтально над поверхностью земли и смещены в вертикальной плоскости относительно друг друга на расстояние h (1,2-1,4)d, где d внешний диаметр трубы 2 распределительной линии 1. При этом обеспечивается волновое сопротивление линии в пределах 75-100 Ом. Антенна содержит решетку 3 разнодлинных симметричных вибраторов, плечи 4 которых размещены ортогонально распределительной линии 1 и противофазно подключены к трубам 2 распределительной линии 1. Коаксиальная линия 5, используемая в качестве кабеля снижения, размещена в первой трубе 2 распределительной линии 1. Антенна установлена на опорной мачте 6. В трубу 2 распределительной линии 1, содержащую коаксиальную линию 5, введено согласующее устройство 7, размещенное у вершины антенны со стороны коротких вибраторов. Согласующее устройство 7 включено между коаксиальной линией 5 и трубой 2 распределительной линии 1. Согласующее устройство 7 выполнено в виде ступенчатого коаксиального перехода. Ступенчатый коаксиальный переход содержит ступенчатую втулку, ступенчатый центральный проводник, диэлектрическую шайбу, дуговой провод и коаксиальный разъем. Отношение внутренних большого и малого диаметров ступенчатой втулки к соответствующим большому и малому диаметрам ступенчатого центрального проводника выбрано в пределах 3,5-5,5. При этом обеспечивается волновое сопротивление 75-100 Ом и широкополосное согласование распределительной линии 1 и коаксиальной линии 5. Log-periodic vibrator antenna contains a distribution line 1, made in the form of a two-wire line of parallel to the first and second pipes 2 of the same diameter. The pipes 2 of the distribution line 1 are placed horizontally above the surface of the earth and are displaced in a vertical plane relative to each other by a distance h (1,2-1,4) d, where d is the outer diameter of the pipe 2 of the distribution line 1. At the same time, the wave impedance of the line is provided within 75-100 ohms. The antenna contains a lattice 3 of symmetrical vibrators of different lengths, the arms 4 of which are placed orthogonally to the distribution line 1 and are out of phase connected to the pipes 2 of the distribution line 1. The coaxial line 5, used as a drop cable, is located in the first pipe 2 of the distribution line 1. The antenna is mounted on the support mast 6. In the pipe 2 of the distribution line 1 containing the coaxial line 5, a matching device 7 is inserted, located at the top of the antenna from the side of the short vibrators. The matching device 7 is connected between the coaxial line 5 and the pipe 2 of the distribution line 1. The matching device 7 is made in the form of a stepped coaxial transition. The stepped coaxial junction includes a stepped sleeve, a stepped central conductor, a dielectric washer, an arc wire, and a coaxial connector. The ratio of the internal large and small diameters of the stepped sleeve to the corresponding large and small diameters of the stepped central conductor is selected in the range of 3.5-5.5. This provides a wave impedance of 75-100 Ohms and broadband matching distribution line 1 and coaxial line 5.

Большой диаметр ступенчатой втулки выбирается близким к внутреннему диаметру трубы 2 распределительной линии 1, малый диаметр ступенчатой втулки равен внутреннему диаметру коаксиальной линии 5. Несущая стрела 8 установлена над распределительной линией 1 параллельно ей в вертикальной плоскости на расстоянии, не менее 2h от нее. При таком удалении от распределительной линии 1 влияние несущей стрелы на распределение поля распределительной линии 1 незначительно. Несущая стрела 8 выполнена в виде трубы, диаметр и длина которой выбирается из конструктивных требований. Несущая стрела 8 установлена с помощью кронштейна на опорной мачте 6. The large diameter of the stepped sleeve is chosen close to the inner diameter of the pipe 2 of the distribution line 1, the small diameter of the stepped sleeve is equal to the inner diameter of the coaxial line 5. The support boom 8 is mounted above the distribution line 1 parallel to it in a vertical plane at a distance of at least 2h from it. At such a distance from the distribution line 1, the influence of the boom on the distribution of the field of the distribution line 1 is negligible. Bearing boom 8 is made in the form of a pipe, the diameter and length of which is selected from the design requirements. The boom 8 is mounted using the bracket on the support mast 6.

Труба несущей стрелы 8 и две трубы 2 распределительной линии 1 конструктивно связаны между собой изоляторами 9. Для уменьшения влияния изоляторов 9 на характеристики излучения и согласования антенны изоляторы 9 выполнены в виде поперечных трубам несущей стрелы 8 и распределительной линии 2 диэлектрических распорок, расстояние между которыми вдоль труб 2 выбрано не более λ_макс/8, а ширина не более λ_мин/8. На конце несущей стрелы 8 со стороны длинных вибраторов на расстоянии λ_макс/4 от наиболее длинного вибратора антенны ортогонально несущей стреле 8 установлен экран 10, выполненный в виде плоской решетки параллельных короткозамкнутых центральным стержнем вибраторов с шагом не более 0,1 λ_макс.The boom pipe 8 and two pipes 2 of the distribution line 1 are structurally interconnected by insulators 9. To reduce the influence of the insulators 9 on the radiation characteristics and antenna matching, the insulators 9 are made in the form of transverse pipes of the boom 8 and the distribution line 2 of dielectric struts, the distance between them along pipes 2 selected no more than λ _max / 8, and a width of not more than λ _min / 8. At the end of the boom 8 from the side of long vibrators at a distance of λ _max / 4 from the longest antenna vibrator orthogonal to the boom 8, a screen 10 is installed, made in the form of a flat lattice of parallel short-circuited central rods with a pitch of not more than 0.1 λ _max .

Для увеличения коэффициента усиления антенны в диапазоне частот в коаксиальную линию 5 введен широкополосный малошумящий усилитель 11. To increase the antenna gain in the frequency range, a broadband low-noise amplifier 11 is introduced into the coaxial line 5.

Для увеличения коэффициента усиления антенны в диапазоне на конце распределительной линии 1 со стороны длинных вибраторов между ее трубами 2 включено сопротивление 12, равное волноводному сопротивлению распределительной линии 1. To increase the antenna gain in the range at the end of the distribution line 1 from the side of the long vibrators between its tubes 2, a resistance 12 equal to the waveguide resistance of the distribution line 1 is included.

При работе логопериодической вибраторной антенны сигнал от передающей телевизионной вышки возбуждает для каждого канала соответствующую группу вибраторов ("активную зону") и по распределительной линии 1 поступает через согласующее устройство 7 в коаксиальную линию 5, где усиливается широкополосным малошумящим усилителем 11 и подается на вход телевизионного приемника. Экран 10 увеличивает КУ в низкочастотной части диапазона и уменьшает уровень сигналов, принимаемых с задних направлений. Заданную геометрию антенны и ее жесткость обеспечивает несущая стрела 8. When the log-periodic vibrator antenna is operating, the signal from the transmitting television tower excites for each channel a corresponding group of vibrators (“active zone”) and through the distribution line 1 passes through a matching device 7 to the coaxial line 5, where it is amplified by a broadband low-noise amplifier 11 and fed to the input of the television receiver . Screen 10 increases the gain in the low-frequency part of the range and reduces the level of signals received from the rear directions. The specified geometry of the antenna and its rigidity is provided by the boom 8.

В качестве примера конкретного выполнения выбрана логопериодическая вибраторная антенна 1-12 каналов метрового диапазона со следующими параметрами геометрии: геометрический коэффициент подобия τ 0,888; угол при вершине логопериодической вибраторной структуры α 36^о; габаритные размеры треугольника решетки вибраторов 3250 х 2110 мм; габаритные размеры экрана 2400 х 2400 мм; габаритные размеры антенны 4000 х 2400 х 2400 мм; диаметр труб распределительной линии 30 мм; диаметры труб вибраторов 12 и 16 мм; диаметр трубы несущей стрелы 40 мм; волновое сопротивление распределительной линии 90 Ом; волновое сопротивление коаксиальной линии 75 Ом. Основные технические характеристики логопериодической вибраторной антенны, полученные для двух опытных образцов следующие: Количество каналов 1-12
Коэффициент усиления (средний в диапазоне) Не менее 7 дБ
КСВ (средний в диапазоне) Не более 1,5
Коэффициент усиления
широкополосного
малошумящего усилителя Не менее 20 дБ
Потребляемая мощность усилителя Не более5 Вт
(220 В; 50 Гц) Число возможных абонентов До 10
Максимальная высота опорной мачты 10 м
Допустимая ветровая нагрузка До 20 м/с
Размер площадки под установку антенны 1,5 м х 1,5 м
Масса антенны вместе с опорной мачтой Не более 150 кг
Предложенное устройство обеспечивает высокое качество и стабильность параметров принимаемых сигналов телевизионного вещания на границах зоны уверенного приема (расстояние большее 100 км от передающей телевизионной мачты).As an example of a specific implementation, a log-periodic vibrator antenna of 1-12 channels of the meter band with the following geometry parameters was selected: geometric similarity coefficient τ 0.888; the angle at the top of the log-periodic vibrator structure α 36 ^about ; overall dimensions of the triangle lattice of vibrators 3250 x 2110 mm; overall screen dimensions 2400 x 2400 mm; overall dimensions of the antenna 4000 x 2400 x 2400 mm; diameter of distribution line pipes 30 mm; pipe diameters of vibrators 12 and 16 mm; boom tube diameter 40 mm; distribution line impedance 90 Ohm; impedance of the coaxial line 75 Ohm. The main technical characteristics of the log-periodic vibrator antenna obtained for the two prototypes are as follows: The number of channels 1-12
Gain (average in the range) Not less than 7 dB
SWR (average in the range) Not more than 1.5
Gain
broadband
low-noise amplifier At least 20 dB
Power consumption of the amplifier No more than 5 W
(220 V; 50 Hz) Number of possible subscribers Up to 10
Maximum mast height 10 m
Permissible wind load Up to 20 m / s
The size of the site for the installation of the antenna is 1.5 mx 1.5 m
The weight of the antenna together with the support mast Not more than 150 kg
The proposed device provides high quality and stability of the parameters of the received television broadcasting signals at the borders of the coverage zone (distance greater than 100 km from the transmitting television mast).

Предлагаемая логопериодическая вибраторная антенна имеет расширенные возможности по сравнению с известным устройством-прототипом, она может быть применена в качестве универсальной телевизионной антенны для дальнего приема в широком диапазоне частот телевизионных программ метрового и дециметрового диапазонов при одновременном повышении среднего в диапазоне частот коэффициента усиления и улучшении массогабаритных параметров конструкции. The proposed log-periodic vibrator antenna has expanded capabilities compared to the known prototype device, it can be used as a universal television antenna for long-range reception in a wide frequency range of television programs of meter and decimeter ranges while increasing the average gain in the frequency range and improving weight and size parameters designs.

Возможно создание сети телевизионных антенн для дачных поселков, сельских домов, домов культуры, кемпингов, мотелей, небольших гостиниц, а также индивидуальных потребителей, в удаленных от передающих вышек районах. It is possible to create a network of television antennas for holiday villages, rural houses, cultural houses, campsites, motels, small hotels, as well as individual consumers, in areas remote from transmitting towers.

Claims

LOGO-PERIODIC VIBRATOR ANTENNA, containing a distribution line made in the form of the first and second pipes of the same diameter, mounted parallel to each other with offset in the same plane relative to each other, symmetrical vibrators, the shoulders of which are placed orthogonally to the pipes and are connected to them out of phase, a coaxial line with a matching device connected to the pipes, a boom connected to the support mast, while on the side of long symmetrical vibrators orthogonal to the boom mounted pl osk screen, characterized in that the carrier boom is made in the form of a third pipe mounted under the first and second pipes parallel to them on the top of the support mast, with all three pipes structurally interconnected by insulators, symmetrical vibrators are made in the form of straight rods connected to the first and to the second pipes, the coaxial line is placed in the first pipe, and the matching device is placed in the first pipe at the top of the antenna from the side of short symmetrical vibrators, connected between the coaxial line and the second pipe slaughter and made in the form of a stepped coaxial transition from the inner diameter of the pipe to the inner diameter of the coaxial line.