Штыревая антенна

Полезная модель относится к антенной технике и предназначена для использования в качестве приемопередающей антенны мобильных и стационарных устройств связи. Известен способ согласования входного сопротивления антенного устройства с фидером в полосе частот при помощи включения в разрыв проводника антенны различных реактивных элементов (Овсяников В.В. Вибраторные антенны с реактивными нагрузками. М.: Радио и связь, 1985, - 120 с.).
Недостатками такого способа являются ограниченность полосы рабочих частот и невозможность оперативной перестройки конфигурации антенны.
Известен способ применения тюнеров в антенной технике. Примером такого рода устройства может служить антенный тюнер (патент США US 3794941 A), содержащий блок управления выбором реактивных элементов цепи согласования импеданса антенны. Тюнер обеспечивает оперативное преобразование внутреннего сопротивления антенны в сопротивление нагрузки, необходимое для эффективной передачи мощности от усилителя мощности портативного радиопередатчика к любой выбранной антенне в широком диапазоне частот, например от 2 до 80 МГц.
Преимуществом такого способа согласования является большие возможности по расширению полосы рабочих частот системы, по сравнению с предыдущим случаем.
Недостатками являются относительно узкая мгновенная полоса рабочих частот, невозможность управления ДН антенны, уменьшение КПД системы при подключении тюнера, невозможность оперативной перестройки конфигурации антенны.
Большинство существующих решений по расширению полосы рабочих частот штыревых антенн заключается в работе с уже сформировавшимся токовым распределением на раскрыве антенны, определяемым структурой излучающего элемента. При этом невозможно вмешиваться в него в последующем (на других частотах или при различных условиях работы).
Известна плоская инвертированная L-антенна (патент США US 6674411 B2), в которой согласующее устройство включено между точкой питания и проводящей плоскостью, чтобы обеспечить согласование антенны на нескольких дискретных частотах. Согласующее устройство содержит несколько согласующих цепей, и средство переключения для выбора одной из указанных согласующих цепей, выход средства коммутации соединен с питающим проводником.
Недостатки: реактивные элементы используются только для согласования антенны с фидером, из-за чего невозможно осуществлять перестройку конфигурации антенны и, как следствие, навязывать излучателю токовое распределение.
Наиболее близким по совокупности существующих признаков к предлагаемому устройству является штыревая антенна (патент США US 5521607) с расширенной полосой рабочих частот для работы в одном из множества частотных диапазонов. Устройство содержит излучатель, в составе которого имеется набор полых металлических проводников, расположенных последовательно, набор реактивностей, параметры которых определяются рабочей частотой системы, коммутатор, соединяющий посредством фидерных линий входной порт с реактивностями и с питающем концом антенны, блок тюнера для обеспечения связи с использованием выбранного (пользователем) частотного диапазона.
Недостатки: ограниченные возможности перестройки конфигурации антенны, обусловленные определенным набором индуктивностей в составе излучателя, невозможность произвольно выбирать точку подключения радиочастотного сигнала на излучателе.
Задачей предлагаемой полезной модели является расширение полосы рабочих частот, увеличение КПД в рабочем диапазоне, возможность оперативной перестройки конфигурации антенны.
Поставленная задача решается за счет того, что заявленное устройство, так же как и известное, содержит набор полых металлических проводников, расположенных последовательно, набор реактивностей, параметры которых определяются рабочей частотой системы, коммутатор, соединяющий посредством фидерных линий входной порт с реактивностями. Но, в отличие от известного, в предлагаемой антенне металлические проводники соединены полыми диэлектрическими вставками таким образом, что они образуют единую полую конструкцию, внутри которой проходят фидерные линии, а набор реактивностей расположен вне указанной конструкции, образуя единый блок, коммутатор выполнен с возможностью подключения любой реактивности из указанного блока и входного порта к двум соседним металлическим полым проводникам в местах их соединения полыми диэлектрическими вставками.
Достигаемым техническим результатом является расширение диапазона рабочих частот, увеличение КПД в диапазоне рабочих частот и возможность оперативной перестройки конфигурации антенны.
Технический результат достигается за счет подключения на выбранной рабочей частоте с помощью коммутатора необходимой комбинации реактивных элементов и выбора расположения точки питания излучателя. Расположение подключения реактивных элементов и подведения радиочастотного сигнала с входного порта при помощи фидерных линий определяется расположением диэлектрических вставок - фидерные линии проходят внутри указанной выше единой полой конструкции и подключаются к двум последовательным металлическим полым проводникам в местах их соединения с диэлектрическими вставками. Таким образом, при помощи коммутатора и вынесенного за пределы излучателя блока реактивных элементов можно оперативно переключаться между различными режимами работы предлагаемого устройства за счет соответствующего изменения токового распределения на излучателе.
Полезная модель иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 приводится схема заявляемой штыревой антенны.
На фиг. 2 приводится обобщенная схема подключения возможной конструкции штыревой антенны с четырьмя диэлектрическими вставками, расположенными равноудалено, причем первая расположена у основания штыревой антенны.
На фиг. 3 приводится схема включения антенны с четырьмя диэлектрическими вставками, где коммутатором выставлена комбинация подключения реактивных элементов для работы антенны на низких частотах.
На фиг. 4 приводится схема включения антенны с четырьмя диэлектрическими вставками, где коммутатором выставлена комбинация подключения реактивных элементов для работы антенны на низких частотах.
На фиг. 5 приводится схема включения антенны с четырьмя диэлектрическими вставками, где коммутатором выставлена комбинация подключения реактивных элементов для работы антенны на низких частотах.
На фиг. 6 приводится схема включения антенны с четырьмя диэлектрическими вставками, где коммутатором выставлена комбинация подключения реактивных элементов для работы антенны на средних частотах.
На фиг. 7 приводится схема включения антенны с четырьмя диэлектрическими вставками, где коммутатором выставлена комбинация подключения реактивных элементов для работы антенны на средних частотах.
На фиг. 8 приводится схема включения антенны с четырьмя диэлектрическими вставками, где коммутатором выставлена комбинация подключения реактивных элементов для работы антенны на высоких частотах.
На фиг. 9 приводится схема включения антенны с четырьмя диэлектрическими вставками, где коммутатором выставлена комбинация подключения реактивных элементов для работы антенны на высоких частотах.
Антенна работает следующим образом.
Устройство штыревой антенны поясняется на фиг. 1, где излучатель представляет собой единую полую конструкцию из последовательных полых металлических проводников 1, соединенных диэлектрическими вставками 2, посредством фидерных линий 3 соединенную с вынесенным за пределы излучающего элемента коммутатора 4 и блока реактивных элементов 5, при этом выводы коммутатора посредством проложенных внутри указанной полой конструкции фидерных линий подключаются к двум последовательным металлическим полым проводникам 1 в местах их соединения с диэлектрическими вставками 2. Радиочастотный сигнал подается с порта 6 на коммутатор 3, в котором в зависимости от рабочей частоты выставляется определенная комбинация включения реактивных элементов из блока реактивных элементов 5 и точки включения радиочастотного сигнала.
При подаче на вход коммутатора 4 с входного порта 6 сигнала рабочей частоты в коммутаторе 4 замыкаются ключи таким образом, что выбирается заранее определенная для данной рабочей частоты комбинация включения реактивностей из соответствующего блока 5, реализуя подключение выбранных элементов и подведение сигнала с входного порта 6 посредством выводов коммутатора 3 и проложенных внутри полого излучающего элемента, состоящего из комбинации последовательно соединенных металлических проводников 1 и диэлектрических вставок 2, фидерных линий 3 к указанной точке на излучателе. Излучатель представляет собой комбинацию последовательно соединенных металлических проводников 1 и диэлектрических вставок 2, причем диэлектрические вставки 2 равноудалены друг от друга. Фидерные линии проходят внутри полого проводника.
Используемая для данной рабочей частоты комбинация замыкания ключей в коммутаторе 3 определяется режимом работы устройства, ориентированном на расширение полосы рабочих частот или на создание ДН специальной формы (в частности, для обеспечения режимов ближней или дальней связи). В качестве ключей могут выступать электронные реле. Блок реактивных элементов и коммутатор целесообразно выполнять единой конструкцией.
Выбор реактивного элемента поясняется на фиг. 2-9 на примере штыревого излучателя над проводящей плоскостью.
Традиционно используемые для работы в нижней части КВ диапазона, как, например, в изестном, (где электрические размеры антенны существенно меньше четверти длины волны) тюнеры обладают существенным недостатком - низкий КПД из-за потерь в цепи конвертации входного сопротивления антенны, которое, в свою очередь, обусловлено токовым распределением на раскрыве. Для согласования антенны в данном диапазоне с меньшими потерями возможно применять различные конфигурации штыревых антенн (которые будут являться узкополосными) с включенными в структуру излучателя реактивностями. Но в данном случае для перестройки антенны на другую частоту будет необходимо снова использовать тюнер, либо полностью переконфигурировать излучатель. В заявляемом устройстве за счет вынесенного блока реактивных элементов и коммутатора удается оперативно подключать к излучателю различные реактивные элементы и радиочастотный сигнал в одну из заранее определенных точек на излучателе, тем самым «собирая» на выбранной рабочей частоте именно ту конфигурацию, которая обладает лучшим согласованием. Так на низких частотах будут требоваться индуктивные вставки (например согласно фиг. 3-5), на средних частотах - конфигурация излучателя по фиг. 6-7, на высоких частотах - емкостные вставки (например согласно фиг. 8-9). Таким образом, совокупная полоса заявляемого устройства будет являться суммарной полосой всех возможных конфигураций излучателя, определяемых набором реактивностей в блоке реактивных элементов и комбинациями замыкания ключей в коммутаторе. За счет того, что указанные конфигурации выбираются заранее исходя из наилучшего согласования в каждом поддиапазоне полосы рабочих частот антенны, а в процессе перестройки антенны, в отличие от прототипа, изменяется и токовое распределение на ее раскрыве и достигается расширение полосы рабочих частот системы при больших КПД, чем при использовании тюнеров.
Описание полезной модели доказывает достижение технического результата:
Расширение диапазона рабочих частот системы достигается за счет того, что совокупная полоса заявляемого устройства будет являться суммарной полосой всех возможных конфигураций излучателя, определяемых набором реактивностей в блоке реактивных элементов и комбинациями замыкания ключей в коммутаторе, причем конструкция штыревой антенны, в отличие от известного, позволяет сформировывать на излучателе для выбранной рабочей частоты оптимальное токовое распределение.
Увеличение КПД в диапазоне рабочих частот достигается за счет подключения оптимальной с точки зрения токового распределения комбинации реактивных элементов для работы в выбранном поддиапазоне, что позволяет не использовать согласования антенны тюнер, вносящий существенные потери.
Возможность оперативной перестройки конфигурации антенны, обусловленной комбинацией включения в излучатель реактивных элементов и точки подключения радиочастотного сигнала достигается за счет вынесения реактивных элементов за пределы излучателя и возможностью переконфигурации антенны посредством коммутатора, без механического вмешательства в ее конструкцию.