СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА
ULTRA-WIDEBAND ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнике, в частности, к сверхширокополосным антеннам с вертикальной поляризацией и круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, и может использоваться в приемопередающих устройствах систем передачи информации. Заявленная антенна позволяет обеспечить прием и передачу сигналов радиоканалов в диапазоне частот 27-520 МГц с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ).
Известна штыревая антенна для коротковолновой радиостанции, включающая разъем для подключения к радиостанции и соединяемые последовательно штыревые излучающие части, которые включают верхний гибкий стальной штырь, по меньшей мере одну спиральную штыревую часть и регулирующую катушку индуктивности спиральной штыревой части. Разъем для подключения к радиостанции выполнен с гибким переходником по типу «гусиная шея». Между гибким переходником и спиральной штыревой частью с регулирующей катушкой индуктивности установлена демпфирующая пружина. Гибкий переходник по типу «гусиная шея», демпфирующая пружина, спиральная штыревая часть с регулирующей катушкой индуктивности и верхняя штыревая часть соединены друг с другом разъемно (патент РФ RU 126517, опубликован 27.03.2013, МПК H01Q 1/00). Преимуществом этого устройства является использование переходника по типу «гусиная шея» с памятью заданной формы пространственного расположения, подсоединенного между высокочастотным разъемом и демпфирующей пружиной, что обеспечивает возможность расположения верхнего гибкого стального штыря в любом выбранном пользователем направлении. Ограничениями являются узкий рабочий диапазон частот из-за использования в качестве излучающих элементов гибкого стального штыря, спиральной штыревой части и регулирующей катушки индуктивности, образующих несимметричный вибратор, а также низкая степень удобства использования антенны под конкретные задачи, что связано с большим количеством разъемных частей антенны.
Известна широкополосная антенна, содержащая полотна антенны, которые установлены вертикально в держателе с обеспечением электрической связи между ними и выполнены с различной длиной (патент США US 3550145, опубликован 22.12.1970, МПК H01Q 21/00, H01Q 9/38, H01Q 1/50). Полотна антенны выполнены из отрезков изолированных проводов, торцы которых закреплены в держателе вдоль нескольких окружностей с разным диаметром. Недостатками являются большое количество изолированных проводов, что приводит к низкой технологичности конструкции в целом, малой жесткости на изгиб, а также невысоким эксплуатационным характеристикам антенны.
Известна широкополосная антенна, содержащая полотна антенны, которые установлены вертикально с обеспечением электрической связи между ними, выполнены с различной длиной и связаны через трансформатор импеданса с приемопередатчиком (патент США US 4970524, опубликован 13.11.1990, МПК H01Q 9/36). Полотна антенны выполнены из отрезков изолированных проводов или отрезков плоских кабелей, которые расположены вертикально, параллельно вплотную друг к другу, причем отрезок изолированного провода с наибольшей длиной расположен снаружи с одной стороны, а отрезок провода с наименьшей длиной расположен снаружи с другой стороны, а длины внутренних отрезков проводов постепенно убывают от отрезка изолированного провода с наибольшей длиной к отрезку провода с наименьшей длиной. Ограничениями этого устройства являются низкая технологичность конструкции в целом из-за сложности подвески большого количества полотен, их сборки, а также очень большой несимметричности относительно продольной оси излучателя, что приводит к неустойчивости антенны и невозможности ее изгиба в поперечном направлении. Кроме того, устройство характеризуется узкой рабочей полосой частот от 60 до 120 МГц.
Наиболее близкой к заявляемой является широкополосная антенна, содержащая по меньшей мере шесть полотен антенны, которые установлены в держателе симметрично относительно их совместной продольной оси и с обеспечением электрической связи между полотнами антенны, выполнены с различной длиной и связаны через трансформатор импеданса с высокочастотным разъемом (патент США US 4302760, опубликован 24.11.1981, МПК H01Q 1/32). В известном устройстве полотна антенны выполнены из отрезков изолированных проводов, которые установлены вертикально концами в держателе вдоль окружности так, что длина отрезков проводов постепенно увеличивается вдоль этой окружности от изолированного провода с наименьшей длиной к проводу с наибольшей длиной.
Ограничениями ближайшего аналога являются узкий рабочий диапазон частот от 30 до 88 МГц, невозможность изменения положения полотен антенны в любом выбранном пользователем приемопередатчика положении, недостаточные упругие свойства антенны и ее прочность при изгибе, низкий коэффициент технологичности и невысокие эксплуатационные характеристики, что приводит к достаточно низкой степени удобства использования антенны под конкретные задачи.
Решаемой настоящим изобретением задачей является улучшение технико-эксплуатационных характеристик сверхширокополосной антенны.
Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является расширение диапазона рабочих частот, возможность изменения пространственного положения антенны, обеспечение высоких упругих свойств и прочности при изгибе, улучшение степени удобства использования антенны конкретным пользователем под конкретные задачи.
Для решения поставленной задачи с достижением заявленного технического результата сверхширокополосная антенна содержит семь полотен, которые установлены в держателе с обеспечением электрической связи между ними, параллельно друг другу и с поперечными зазорами между ними. Между двумя полотнами с наибольшей длиной размещены пять полотен с меньшей длиной, так что с каждой стороны от одного полотна с наименьшей длиной все остальные полотна размещены по возрастанию их длины. Полотна связаны с высокочастотным разъемом через трансформатор импеданса. Полотна выполнены с выгнутым поперечным профилем, причем полотна с каждой стороны от полотна с наименьшей длиной размещены своими выгнутыми поверхностями в одну сторону, наружу от полотна с наименьшей длиной.
Согласно изобретению, сверхширокополосная антенна содержит гибкий элемент, выполненный с возможностью изменения и сохранения пространственного совместного положения полотен и установленный между держателем и трансформатором импеданса.
Возможны дополнительные варианты выполнения сверхширокополосной антенны, в которых:
- гибкий элемент выполнен по типу переходника «гусиная шея»;
- полотна выполнены из стальных лент и пружинящими в поперечном направлении;
- сверхширокополосная антенна содержит оболочку, установленную на держателе снаружи полотен и снабженную наконечником, установленным на торце оболочки;
- указанная оболочка выполнена из полиолефиновой уплощенной трубки, а наконечник - из полиамида;
- полотна с меньшей длиной выполнены с обращенным вверх концом треугольной формы со скругленной вершиной;
- трансформатор импеданса с высокочастотным разъемом установлены во втулке, торец которой соединен с гибким элементом, а сама втулка окружена корпусом из полиамида.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются с помощью варианта его выполнения со ссылками на фигуры.
Фиг. 1 схематично изображает заявленную сверхширокополосную антенну в разобранном состоянии (для удобства прочтения чертежа).
На фиг. 2 схематично показано сечение полотен с держателем вдоль продольной вертикальной оси.
На фиг. 3 приведен вид полотна с меньшей длиной.
Сверхширокополосная антенна содержит семь полотен 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, которые установлены параллельно друг другу с обеспечением электрической связи между ними в держателе 8. Полотна 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 связаны через трансформатор 9 импеданса с высокочастотным разъемом 10.
Полотна 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 выполнены различной длины: два полотна 1, 7 выполнены наибольшей длины, а полотно 4 выполнено наименьшей длины среди всех полотен. При этом полотно 4 (полотно наименьшей длины) расположено в центре, а от него с обеих сторон размещены по возрастанию длины оставшиеся полотна, так что полотна 1, 7 (полотна наибольшей длины) располагаются снаружи, как показано на фиг. 1, 2.
Полотна 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 выполнены в виде отрезков гибких пластин и имеют выгнутый поперечный профиль, как показано на фиг. 1. Отрезки гибких пластин полотен 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, как было сказано выше, установлены параллельно друг к другу. При этом полотна 1, 7 (полотна наибольшей длины) установлены своими выгнутыми поверхностями наружу, а каждое из соответственно двух полотен 2, 3 и двух полотен 5, 6 меньшей длины установлено своей выгнутой поверхностью аналогично соответствующему полотну 1, 7. Другими словами, полотна 1, 2, 3 установлены своими выгнутыми поверхностями вверх согласно показанному на фиг. 1, а полотна 5, 6, 7 установлены своими выгнутыми поверхностями вниз согласно показанному на фиг. 1.
Ширина полотен 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 подобрана таким образом, чтобы обеспечить удобство эксплуатации и необходимую упругость при изгибе и, одновременно, увеличить погонную электрическую емкость излучателя сверхширокополосной антенны, составленного из полотен 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, что приводит к расширению рабочей полосы частот.
Полотна 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 установлены так, что между ними образованы поперечные зазоры (фиг. 2).
Отрезки гибких пластин полотен 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, предпочтительно, выполнены пружинящими в поперечном направлении. Этого можно добиться выполнив их, например, из стальных лент.
Сверхширокополосная антенна может содержать оболочку 12, установленную на держателе 8 и снаружи полотен 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, т.е. охватывая полотна 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, и снабженную наконечником 13, установленным на торце оболочки 12. В предпочтительном варианте исполнения оболочка 12 выполнена из полиолефиновой уплощенной трубки, а наконечник 13 - из полиамида.
Полотна 2, 3, 4, 5, 6, т.е. полотна, расположенные между полотнами 1, 7 (полотнами наибольшей длины) могут быть выполнены с обращенным вверх концом (свободным концом) треугольной формы со скругленной вершиной (фиг. 1, 3). Это сделано для того, чтобы при изгибе антенны под воздействием внешней силы не образовывался излом в местах пересечения полотен, энергия распределялась равномерно и гасилась, обеспечивая плавный изгиб и распрямление.
Сверхширокополосная антенна содержит гибкий элемент 11, выполненный с возможностью изменения и сохранения пространственного совместного положения полотен 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Гибкий элемент 11 установлен между держателем 8 и трансформатором 9 импеданса.
Гибкий элемент 11 может быть выполнен, например, по типу переходника «гусиная шея». Также можно использовать любой другой тип гибкого элемента, который обеспечивает возможность изменения и сохранения пространственного совместного положения полотен 1, 2, 3,4, 5, 6, 7.
Для удобства подсоединения сверхширокополосной антенны к приемопередатчику трансформатор 9 импеданса с высокочастотным разъемом 10, предпочтительно, устанавливается во втулке 14, торец которой соединен с гибким элементом 11. При этом сама втулка 14 размещается внутри корпуса 15 из полиамида.
Заявленная сверхширокополосная антенна работает следующим образом.
Излучение радиочастотных сигналов осуществляется в окружающее пространство полотнами 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Сигналы от приемопередатчика поступают к полотнам 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 через высокочастотный разъем 10, трансформатор 9 импеданса, упругий элемент 11 (при его наличии) и держатель 8, электрически связывающий нижние края отрезков гибких пластин полотен 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Прием радиочастотных сигналов производится в обратном направлении. Устройство обеспечивает вертикальную поляризацию с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости в широкой полосе частот.
В основании широкополосной антенны размещен трансформатор 9 (широкополосное согласующее устройство), в предпочтительном варианте изобретения объединенный с высокочастотным разъемом 10 при помощи втулки 14 из черного полиамида. Выше установлен гибкий элемент 11, например, по типу «гусиная шея», обеспечивающий возможность изменения и сохранения пространственного совместного положения полотен 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и позволяющий удерживать их вертикально при любом положении приемопередатчика, в частности, при горизонтальном положении приемопередатчика. К гибкому элементу 11 присоединен держатель 8, к которому приклепываются полотна 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, образовывая излучатель.
В широкополосной антенне может использоваться трансформатор 9, выполненный на ферритовом сердечнике (трансфлюкторе) с применением витой пары на печатной плате. Специалисту понятно, что в заявленном устройстве могут использоваться различные конструкции трансформатора 9 импеданса в зависимости от конкретного технического задания.
Излучатель сверхширокополосной антенны, составленный из полотен 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, представляет собой набор отдельных профилированных лент, пружинных и разной длины, причем снаружи расположены наиболее длинные полотна 1, 7, внутри - более короткие, убывающие по длине пара полотен 2, 3 и пара полотен 5, 6, а между указанными парами полотен - полотно 4 наименьшей длины. Полотна 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 выполнены в виде отрезков гибких пластин и имеют выгнутый поперечный профиль для обеспечения упругости при изгибе, которая нужна для самопроизвольного возвращения излучателя антенны в исходное (вертикальное) состояние после сгиба полотен 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 в условиях хранения или после ее изгиба от воздействия внешних силовых факторов во время эксплуатации. Кроме того, такая схема расположения позволяет расширить рабочий частотный диапазон за счет увеличения площади поверхности, следовательно, погонной электрической емкости полотен 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.
Для обеспечения еще большей упругости при изгибе сверхширокополосной антенны полотна 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 сгруппированы таким образом, что наиболее длинное полотно антенны, например полотно 1, и два прилегающих к нему более коротких полотна 2, 3 направлены своими выгнутыми поверхностями в одну и ту же сторону и наружу относительно продольной оси антенны (на фиг. 1 - вверх, на фиг. 2 - влево), т.е. относительно наиболее короткого полотна 4. Соответственно, полотна 5, 6, 7 направлены своими выгнутыми поверхностями в противоположную сторону, так что они своими выгнутыми поверхностями также направлены наружу относительно продольной оси антенны (на фиг. 1 - вниз, на фиг. 2 - вправо), т.е. относительно наиболее короткого полотна 4.
Гибкость полотен 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и упругого элемента 11 предотвращает возможность разрушения высокочастотного разъема как на приемопередатчике, так и на самой антенне. Отрезки гибких пластин, из которых сформированы полотна 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, имеют твердость 450-520 HV. Использование упругого элемента 11 особенно важно по той причине, что излучатель сверхширокополосной антенны составлен из большого числа полотен и проявляет свои упругие свойства лишь при приложении определенного усилия, а при небольших прикладываемых усилиях упругость сверхширокополосной антенны обеспечивается как раз упругим элементом 11.
Каждое полотно 2, 3, 4, 5, 6 (фиг. 3) может быть выполнено с концом (свободным концом) треугольной формы, предпочтительно - со скругленной вершиной (см. фиг. 3), для равномерного распределения упругих свойств антенны на всей ее протяженности.
Как было указано выше, сверхширокополосная антенна может содержать оболочку 12, охватывающую полотна 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, выполненную, например, из термоусаживаемой полиолефиновой трубки, которая позволяет защитить сверхширокополосную антенну от воздействия внешних факторов - пыли, грязи, влаги и др. При этом верхний торец оболочки 12 антенны закрывается наконечником 13, например, из черного полиамида. Выбор в качестве материала оболочки 12 полиолефина позволяет не препятствовать изгибу полотен 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.
Отрезки гибких пластин полотен 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, изготовленные, например, из пружинной стали 65Г, могут быть покрыты никелем, который применяется для защитной отделки деталей, повышения поверхностной твердости и износостойкости.
В качестве противовеса для излучателя сверхширокополосной антенны используется корпус приемопередатчика
Для удобства подсоединения сверхширокополосной антенны к приемопередатчику трансформатор 9 импеданса с высокочастотным разъемом 10 установлены во втулке 14, торец которой соединен с гибким элементом 11, а сама втулка установлена внутри корпуса 15 из полиамида.
Как показали испытания, заявленная сверхширокополосная антенна работает в диапазоне частот 27-520 МГц и при этом обеспечивает удобство хранения и эксплуатации даже в сложенном состоянии. Высокочастотный разъем 10 позволяет удобно и быстро подсоединить (отсоединить) широкополосную антенну к приемопередатчику.
В целом, за счет указанных выше особенностей исполнения заявленная сверхширокополосная антенна позволяет существенно увеличить ширину диапазона рабочих частот, обеспечить высокие упругие свойства и прочность при изгибе (возвращение излучателя в исходное вертикальное положение), избежать механических повреждений при эксплуатации, и таким образом, повысить степень, с которой устройство может быть использовано определенными пользователями в определенном контексте использования и для достижения определенных целей с должной эффективностью, продуктивностью и удовлетворенностью (то, что Международным стандартом ISO 9241-11 определяется как «юзабилити» и отчасти может рассматриваться как синоним слова «эргономичность»).
Наиболее успешно заявленная сверхширокополосная антенна может применяться для связи между стационарными объектами или подвижными объектами, например, передвижными радиостанциями в различных приемопередающих устройствах систем передачи информации.