АНТЕННА
ANTENNA

Изобретение относится к области антенных устройств, в частности, к сверхширокополосным антеннам с вертикальной поляризацией и круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, и может использоваться в приемопередающих системах.
Из заявки на патент США US2010302116, опубл. 02.12.2010, известна антенна, работающая в диапазоне частот 30–512 МГц, имеющая основание с амортизатором, излучатель нижнего поддиапазона (диапазона МВ) и излучатель верхнего поддиапазона (диапазона ДМВ1). Антенна выполнена из набора металлических трубок и токопроводящего троса. Диполь верхнего поддиапазона состоит из двух труб, соединенных между собой изолирующим диском, внутри которого находится емкостной элемент – проводник, покрытый изоляционным материалом. Диполь нижнего поддиапазона образован набором металлических трубок меньшего диаметра и токопроводящим тросом. Для разделения нижнего и верхнего поддиапазонов антенна снабжена фильтром. Ограничениями этого устройства являются невозможность функционирования в спутниковых системах навигации ГНСС (GNSS, от Global Navigation Satellite System), необходимость использования фильтра, большие продольные габариты.
Известна антенна, работающая в диапазонах средних частот 800 МГц и 1900 МГц, раскрытая в патенте США US5812097, опубл. 22.09.1998. Эта антенна предназначена для использования в мобильных телефонных аппаратах и представляет собой совмещенную спиральную и штыревую антенны. Преимуществом антенны является простота конструкции, а ограничением – возможность функционирования только в двух частотных диапазонах.
Наиболее близкой заявленному техническому решению является антенна фирмы Trival Antene AD-27/V150-3512-DF, работающая в диапазонах частот 30–88 МГц и 225–512 МГц (публикация на сайте http://www.trivalantene.si/sites/default/files/brochures/AD-27-V150-3512-DF%20Rev-A%20ANG_0.pdf, дата обращения июнь 2017 г.). Эта антенна содержит основание в виде стакана, снабженного фланцем, предназначенным для его крепления к базовой поверхности, амортизатор, выполненный в виде витой пружины, отрезки двух коаксиальных кабелей для диапазонов МВ и ДМВ1, единый излучатель нижнего и верхнего поддиапазонов, выполненный из металлических трубок, и плату разделительных радиочастотных фильтров, расположенную в основании.
Ограничениями этого технического решения являются:
- невозможность функционирования в спутниковых системах навигации ГНСС;
- достаточно большой коэффициент стоячей волны (КСВ) до 3,5;
- необходимость использования радиочастотных фильтров, которые при использовании единого излучателя являются сложным и трудоемким изделием;
- недостаточно высокая степень удобства использования из-за неразъемной конструкции при креплении основания к базовой поверхности.
Решаемая изобретением задача состоит в расширении функциональных возможностей и улучшении технико-эксплуатационных характеристик антенны.
Технический результат, достигаемый заявленным техническим решением, заключается в уменьшении КСВ, упрощении конструкции за счет исключения из основания антенны платы разделительных радиочастотных фильтров, повышение удобства использования.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата заявленная антенна содержит основание, излучатель диапазона ГНСС, излучатель диапазона МВ и излучатель диапазона ДМВ1.
Основание включает корпус основания и патрубок, снабженный первым фланцем для крепления к базовой поверхности и вторым фланцем для крепления к корпусу основания. Корпус состоит из первой диэлектрической втулки, второй диэлектрической втулки, металлической проставки, расположенной между первой и второй диэлектрическими втулками, амортизатора, выполненного в виде витой пружины, третьей диэлектрической втулки, снабженной радиопрозрачной крышкой, установленных друг за другом вдоль продольной оси, а также замков-защелок натяжных, закрепленных на наружной поверхности третьей диэлектрической втулки, пластины металлической круглой, установленной в области дна первой диэлектрической втулки, трех высокочастотных разъемов, установленных на стороне пластины, обращенной к патрубку, первого и второго соединителей радиочастотных с врубным средством сочленения, приемная часть которых расположена снаружи на радиопрозрачной крышке третьей диэлектрической втулки, и трех отрезков коаксиального кабеля, одни концы которых соединены тремя высокочастотными разъемами. Первый и второй отрезки коаксиального кабеля расположены внутри первой диэлектрической втулки, металлической проставки, второй диэлектрической втулки, амортизатора, третьей диэлектрической втулки, а другие концы первого и второго отрезков коаксиального кабеля соединены соответственно с первым и вторым соединителями.
Излучатель диапазона ГНСС расположен внутри корпуса основания и включает спираль, четвертую диэлектрическую втулку и согласующее устройство широкополосное. Спираль выполнена из металлической ленты, намотанной на четвертую диэлектрическую втулку, установленную внутри второй диэлектрической втулки, а другой конец третьего отрезка коаксиального кабеля соединен с обращенным к нему концом спирали через согласующее устройство.
Излучатель диапазона МВ состоит из диэлектрического корпуса, выполненного полым, первой металлической трубки, пятой диэлектрической втулки, снабженной на торцах контактными кольцами, второй металлической трубки, шестой диэлектрической втулки, седьмой диэлектрической втулки, закрепленной снаружи шестой диэлектрической втулки, установленных друг за другом вдоль продольной оси, а также первого дросселя диапазона МВ, второго и третьего дросселей диапазона ДМВ1, фиксаторов замков-защелок, закрепленных на наружной поверхности диэлектрического корпуса, первого и второго соединителей, ответная часть которых установлена внутри диэлектрического корпуса с возможностью соединения ответной части с приемной частью соединителей посредством замков-защелок, третьего соединителя радиочастотного с врубным средством сочленения, приемная часть которого расположена на торце шестой диэлектрической втулки внутри седьмой диэлектрической втулки, на наружной поверхности которой выполнена резьба Эдисона, четвертого отрезка коаксиального кабеля и пятого отрезка коаксиального кабеля. Четвертый отрезок коаксиального кабеля подсоединен к первому соединителю, и через первый дроссель диапазона МВ, установленный внутри диэлектрического корпуса, соединен своей центральной жилой ко второй металлической трубке, а оплеткой – к первой металлической трубке. Излучатель диапазона МВ также состоит из согласующего трансформатора, выполненного с обмоткой из двухпроводной линии на ферритовом кольце, установленного в отверстии, которое выполнено в боковой стенке пятой диэлектрической втулки. Концы согласующего трансформатора соединены с контактными кольцами пятой диэлектрической втулки, одно из которых контактирует с первой металлической трубкой, а другое – со второй металлической трубкой. Один конец пятого отрезка коаксиального кабеля подсоединен ко второму соединителю. Другой конец пятого отрезка коаксиального кабеля через второй дроссель диапазона ДМВ1, установленный в диэлектрическом корпусе, и третий дроссель диапазона ДМВ1, установленный в пятой диэлектрической втулке, подсоединен к третьему соединителю.
Излучатель диапазона ДМВ1 состоит из восьмой диэлектрической втулки, третьей металлической трубки, витой спирали, конденсатора, токопроводящего троса, установленных друг за другом вдоль продольной оси, а также шестого отрезка коаксиального кабеля и ферритовых колец. На внутренней поверхности восьмой диэлектрической втулки выполнена резьба Эдисона с возможностью соединения по резьбе Эдисона восьмой диэлектрической втулки с седьмой диэлектрической трубкой. Ответная часть упомянутого выше третьего соединителя установлена внутри восьмой диэлектрической втулки с возможностью соединения ответной части с приемной частью третьего соединителя при соединении восьмой диэлектрической втулки снаружи седьмой диэлектрической трубки. Упомянутый шестой отрезок коаксиального кабеля расположен внутри восьмой диэлектрической втулки и третьей металлической трубки, причем один его конец подсоединен к третьему соединителю, центральная жила другого конца соединена с одним концом витой спирали, а оплетка – с третьей металлической трубкой. Другой конец витой спирали электрически соединен через конденсатор с токопроводящим тросом. Ферритовые кольца установлены на наружной поверхности шестого отрезка коаксиального кабеля внутри восьмой диэлектрической втулки в области, примыкающей к третьему соединителю.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- согласующее устройство излучателя диапазона ГНСС было выполнено на печатной плате по схеме активной приемной антенны и размещено во втулке-кронштейне, закрепленной на упомянутой металлической проставке, и снабжено полиамидной крышкой;
- в корпус основания были введены шпильки, стягивающие вторую диэлектрическую втулку с первой диэлектрической втулкой через металлическую проставку ко второму фланцу патрубка;
- амортизатор основания был выполнен в виде витой фасонной бочкообразной пружины, а патрубок – коническим;
- излучатель диапазона ДМВ1 был снабжен насадкой полой диэлектрической, конусообразной, установленной в области витой спирали и конденсатора на третьей металлической трубке и на токопроводящем тросе;
- первая диэлектрическая втулка корпуса основания была заполнена компаундом.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются с помощью варианта его выполнения со ссылками на фигуры.
На фиг. 1 изображено основание антенны с излучателем диапазона ГНСС.
На фиг. 2 изображен излучатель диапазона МВ.
На фиг. 3 изображен излучатель диапазона ДМВ1.
На фиг. 4 приведен общий вид заявленной антенны (слева) и порядок ее сборки (справа).
Заявленная антенна содержит основание, излучатель диапазона ГНСС, излучатель диапазона МВ и излучатель диапазона ДМВ1.
Основание 1 (фиг. 1) состоит из корпуса 2 основания и патрубка 3, снабженного первым фланцем 4, предназначенным для крепления основания 1, следовательно, и антенны, к базовой поверхности, и вторым фланцем 5, служащим для крепления патрубка 3 к корпусу 2 основания. Корпус 2 основания состоит из первой диэлектрической втулки 6, второй диэлектрической втулки 7, металлической проставки 8, расположенной между первой и второй диэлектрическими втулками 6, 7. Основание 1 также имеет амортизатор 9, выполненный в виде витой пружины, и третью диэлектрическую втулку 10 (конфигурированную), снабженную радиопрозрачной крышкой 11.
Корпус 2 основания, амортизатор 9 и третья диэлектрическая втулка 10 установлены друг за другом вдоль продольной оси. Основание 1 снабжено замками-защелками 12 (натяжными), закрепленными на наружной поверхности третьей диэлектрической втулки 10. В области дна первой диэлектрической втулки 6 установлена пластина 13 (металлическая, круглая). На стороне пластины 13, обращенной к патрубку 2, установлены три высокочастотных разъема 14, 15, 16. На радиопрозрачной крышке 11 третьей диэлектрической втулки 10 расположены первый и второй соединители 17, 18 радиочастотные, выполненные с врубным средством сочленения.
С тремя высокочастотными разъемами 14, 15, 16 соединены соответственно одни концы трех отрезков 19, 20, 21 коаксиального кабеля. Первый и второй отрезки кабеля 19, 20 расположены внутри первой диэлектрической втулки 6, металлической проставки 8, второй диэлектрической втулки 7, амортизатора 9, третьей диэлектрической втулки 10, а их другие концы соединены соответственно с первым и вторым соединителями 17, 18.
Излучатель 22 диапазона ГНСС (фиг. 1) расположен внутри корпуса 2 основания и состоит из спирали 23, четвертой диэлектрической втулки 24, согласующего устройства 25 (широкополосного). Спираль 23 выполнена из металлической ленты, намотанной на четвертую диэлектрическую втулку 24, установленную внутри упомянутой второй диэлектрической втулки 7. Другой конец третьего отрезка 21 коаксиального кабеля соединен с обращенным к нему концом спирали 23 через согласующее устройство 25.
На фиг. 1 также показаны шпильки 26 и втулка-кронштейн 27, назначение которых будет раскрыто ниже.
Излучатель 30 диапазона МВ (фиг. 2) состоит из диэлектрического корпуса 31, выполненного полым, первой металлической трубки 32, пятой диэлектрической втулки 33, снабженной на торцах контактными кольцами 34, 35, второй металлической трубки 36, шестой диэлектрической втулки 37, седьмой диэлектрической втулки 38, закрепленной снаружи шестой диэлектрической втулки 37, установленных друг за другом вдоль продольной оси. Излучатель 30 имеет первый дроссель 39 диапазона МВ; также в нем размещены второй и третий дроссели 40, 41 диапазона ДМВ1.
Фиксаторы 42 упомянутых выше замков-защелок 12 (фиг. 1) закреплены на наружной поверхности диэлектрического корпуса 31. Ответная часть первого и второго соединителей 17, 18 (фиг. 1) установлена внутри диэлектрического корпуса 31 с возможностью соединения ответной части с приемной частью соединителей 17, 18 посредством замков-защелок 12.
Третий соединитель 43 радиочастотный с врубным средством сочленения имеет приемную часть, которая расположена на торце шестой диэлектрической втулки 37 внутри седьмой диэлектрической втулки 38. На наружной поверхности седьмой диэлектрической втулки 38 выполнена резьба Эдисона. Четвертый отрезок 44 коаксиального кабеля подсоединен к первому соединителю 17, а через первый дроссель 39 диапазона МВ, установленный внутри диэлектрического корпуса 31, подсоединен своей центральной жилой ко второй металлической трубке 36 и оплеткой – к первой металлической трубке 32.
Согласующий трансформатор 45 выполнен с обмоткой из двухпроводной линии на ферритовом кольце, установленном в отверстии, которое выполнено в боковой стенке пятой диэлектрической втулки 33. Концы согласующего трансформатора 45 соединены соответственно с контактными кольцами 34, 35 пятой диэлектрической втулки 33, одно из которых контактирует с первой металлической трубкой 32, а другое – со второй металлической трубкой 36. Один конец пятого отрезка 46 коаксиального кабеля подсоединен ко второму соединителю 18. Другой конец пятого отрезка 46 коаксиального кабеля подсоединен к третьему соединителю 43 через второй дроссель 40 диапазона ДМВ1, установленный в диэлектрическом корпусе 31, и третий дроссель 41 диапазона ДМВ1, установленный в пятой диэлектрической втулке 33.
Излучатель 50 диапазона ДМВ1 (фиг. 3) состоит из восьмой диэлектрической втулки 51, третьей металлической трубки 52, витой спирали 53, конденсатора 54, токопроводящего троса 55, установленных друг за другом вдоль продольной оси, шестого отрезка 56 коаксиального кабеля и ферритовых колец 57. На внутренней поверхности восьмой диэлектрической втулки 51 выполнена резьба Эдисона с возможностью соединения по резьбе Эдисона восьмой диэлектрической втулки 51 с седьмой диэлектрической трубкой 38 (фиг. 2). Ответная часть упомянутого третьего соединителя 43 установлена внутри восьмой диэлектрической втулки 51 с возможностью соединения ответной части с приемной частью третьего соединителя 43 при соединении восьмой диэлектрической втулки 51 снаружи седьмой диэлектрической трубки 38. Шестой отрезок 56 коаксиального кабеля расположен внутри восьмой диэлектрической втулки 51 и третьей металлической трубки 52. Один конец шестого отрезка 56 коаксиального кабеля подсоединен к третьему соединителю 43, центральная жила другого его конца соединена с одним концом витой спирали 53, а оплетка – с третьей металлической трубкой 52. Другой конец витой спирали 53 электрически соединен через конденсатор 54 с токопроводящим тросом 55. Ферритовые кольца 57 установлены на наружной поверхности шестого отрезка 56 коаксиального кабеля внутри восьмой диэлектрической втулки 51 в области, примыкающей к третьему соединителю 43.
На фиг. 3 также показаны насадка 58 и контакт-детали 59 для соединения оплетки шестого отрезка 56 коаксиального кабеля с третьей металлической трубкой 52.
Согласующее устройство 25 излучателя 22 диапазона ГНСС может быть выполнено на печатной плате по схеме активной приемной антенны (типовой), размещено во втулке-кронштейне 27 металлической, закрепленной на упомянутой металлической проставке 8, и снабжено полиамидной крышкой.
В корпус 2 основания могут быть введены шпильки 26, стягивающие вторую диэлектрическую втулку 7 с первой диэлектрической втулкой 6 через металлическую проставку 8 ко второму фланцу патрубка, что обеспечивает дополнительную жесткость конструкции.
Амортизатор 9 основания 1 может выполнен в виде витой фасонной бочкообразной пружины, а патрубок – коническим, что повышает удобство использования антенны.
Излучатель 50 диапазона ДМВ1 для обеспечения надежности конструкции может быть снабжен насадкой 58 полой диэлектрической, конусообразной, установленной в области витой спирали 53 и конденсатора 54 на третьей металлической трубке 52 и на токопроводящем тросе 55.
Первая диэлектрическая втулка 6 корпуса 2 основания 1 предпочтительно заполняется компаундом.
Работает заявленная антенна следующим образом.
Антенна (фиг. 4) выполнена в виде единой разборной конструкции, которая содержит отдельные излучатели 22, 30, 50 различных диапазонов, что уменьшает КСВ (как показали испытания, КСВ составляет не более 3,1 для диапазонов МВ и ДМВ1 и не более 2,8 для диапазона ГНСС), а также повышает удобство использования антенны. Повышение удобства использования антенны также достигается за счет простоты сборки-разборки конструкции из-за использования первого и второго соединителей 17, 18 и третьего соединителя 43 с врубными средствами сочленения, замков-защелок 12, выполнения резьбы Эдисона на наружной поверхности седьмой диэлектрической втулки 38 и внутренней поверхности восьмой диэлектрической втулки 51.
Международный стандарт ISO 9241-11 определяет удобство использования как степень, с которой продукт может быть использован определенными пользователями при определенном контексте использования для достижения определенных целей с должной эффективностью, продуктивностью и удовлетворенностью. Термин «удобство использования» можно рассматривать как синоним слова «эргономичность» с той разницей, что последнее определяет минимальность конкретных физических усилий при пользовании вещью, а первый – конечную суммарную степень удобства, меру интеллектуального усилия, необходимого для получения полезных качеств этой вещи и скорость достижения положительного результата при управлении ею.
В основании 1 антенны располагается излучатель 22 диапазона ГНСС с согласующим устройством 25, выполненным на печатной плате, и припаянной к нему посредством тонкого проволочного штыря спиралью 23 (спиралеобразный излучатель), изготовленной из латунной ленты, намотанной на четвертую диэлектрическую втулку 24 (полиамидную, радиопрозрачную). Втулка-кронштейн 27 согласующего устройства 25 выполнена из латуни и имеет полиамидную крышку, защищающую модуль платы согласующего устройства 25 от заливочного компаунда (пентэласт или ПЭК-74), которым заливается внутренняя полость корпуса 2 основания для обеспечения герметичности и, в то же время, ремонтопригодности модуля платы согласующего устройства 25. Для обеспечения достаточной прочности конструкции в первой диэлектрической втулке 6 сделаны отверстия, в которые вставлены шпильки 26 (стальные) с резьбовыми отверстиями на торцах для крепежа к другим составным частям. К первой диэлектрической втулке 6 прикручена пластина 13, в которой располагаются три высокочастотных разъема 14, 15, 16 (могут использоваться разъемы-коннекторы TNC, от Threaded Neill-Concelman) – три порта антенны.
Амортизатор 9 предназначен для компенсации разрушающих антенну механических нагрузок, вызванных изгибающим моментом, возникающим при встрече антенны с препятствием, а также при резком изменении скорости или направления движения объекта с установленной на нем антенной или при вибрации. К амортизатору 9 прикручена третья диэлектрическая втулка 10 (из полиамида) с радиопрозрачной крышкой 11 (из полиамида), в которой установлены первый и второй соединители 17, 18 (например, типа СР-50-902ФВ), которые соединены первым и вторым отрезками 14, 15 коаксиальных кабелей с двумя разъемами 14, 15 (TNC) и образуют с ними две фидерные линии МВ и ДМВ1 трактов. Третий разъем 16 (TNC) соединен третьим отрезком 21 коаксиального кабеля с согласующим устройством 25.
Излучатель 30 диапазона МВ (фиг. 2) состоит из диэлектрического корпуса 31 (полиамидного, радиопрозрачного) с двумя соединителями 17, 18 (например, типа СР-50-903ФВ) и двумя дросселями 39, 40 на ферритовых кольцах, которые встроены в фидерные линии МВ и ДМВ1 и являются продолжениями фидерных линий МВ и ДМВ1 в основании 1 антенны. Выше располагаются две металлические трубы 32, 36 (алюминиевые). Первая металлическая труба 32 служит противовесом излучателя 30 диапазона МВ, а вторая металлическая труба 36 является излучающей. Металлические трубы 32, 36 соединены между собой пятой диэлектрической втулкой 33 (радиопрозрачной), вмещающей в своей полости согласующий трансформатор 45. Контактные кольца 34, 35 предназначены под распайку выводов согласующего трансформатора 45. Выводы согласующего трансформатора 45 припаиваются к лепесткам контактных колец, а кольца размещаются между пятой диэлектрической втулкой 33 и металлическими трубами 32, 36. Также пятая диэлектрическая втулка 33 вмещает в себя еще один дроссель на ферритовом кольце, относящийся к фидерной линии ДМВ1. Заканчивается излучатель 30 диапазона МВ в верхней части шестой диэлектрической втулкой 37 и седьмой диэлектрической втулкой 38 (полиамидными), одна из которых – диэлектрическая втулка 37 – содержит третий соединитель 43 (например, типа СР-50-903ФВ), к которому присоединяется излучатель 50 диапазона ДМВ1 посредством резьбы Эдисона. Резьба Эдисона примечательна тем, что имеет повышенную сопротивляемость к динамическим нагрузкам, хорошо свинчивается и развинчивается в условиях повышенной загрязненности и имеет большой ресурс при эксплуатации.
Излучатель 30 крепится к основанию 1 с помощью специальных замков-защелок 12 (например, фирмы OJOP 704 L/C, модель 520963), что позволяет сделать антенну быстроразборной.
Излучатель 50 диапазона ДМВ1 (фиг. 3) представляет собой штыревой излучатель, в котором роль индуктивности выполняет являющаяся частью полотна витая спираль 53 и который представляет собой токопроводящий трос 55 (стальной). Токопроводящий трос 55 обжат втулкой, к которой припаяна витая спираль 53 через конденсатор 54. С противоположной от полотна стороны к витой спирали 53 через контакт-детали 59 припаян шестой отрезок 56 коаксиального кабеля, который проходит через третью металлическую трубку 52 (алюминиевую), являющуюся противовесом излучателя 50, соединенным с этими контакт-деталями 59. Далее третья металлическая трубка 52 соединяется с восьмой диэлектрической втулкой 51 (радиопрозрачной, полиамидной), в полости которой размещается восемь ферритовых колец 57, надетых на шестой отрезок 56 коаксиального кабеля у основания третьего соединителя 43 (например, типа СР-50-903ФВ) для того, чтобы отсечь синфазные токи.
Изобретение позволяет расширить функциональные возможности антенны за счет совмещения трех антенн различных диапазонов (ГНСС, МВ, ДМВ1) в одном устройстве, что позволяет использовать одну антенну и, как следствие, одно посадочное место под антенну на транспортном средстве или базовой станции.
В то время как у ближайшего аналога имеется один общий излучатель на два диапазона (МВ и ДМВ1), заявленная антенна содержит три отдельных излучателя на диапазоны ГНСС, МВ и ДМВ1, расположенные вдоль вертикальной оси антенны. Помимо улучшения КСВ это также упрощает конструкцию за счет исключения из основания антенны платы разделительных радиочастотных фильтров, которые в случае единого излучателя являются сложным и трудоемким изделием, а кроме того, повышает удобство использования антенны.
Наиболее успешно заявленная антенна промышленно применима в приемопередающих системах.