МНОГОДИАПАЗОННАЯ ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящая полезная модель относится к несимметричным штыревым антеннам типа укороченного четвертьволнового вибратора и может быть использована в качестве портативной передающей и приемной многодиапазонной антенны линейной поляризации с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости для портативных, носимых и переносных радиостанций.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известна двухдиапазонная антенна RD-88H производства Antenna Network Lab. Inc. (ANLI ANTENNA), которая включает высокочастотный разъем с корпусом. К сигнальному контакту высокочастотного разъема первым своим выводом подсоединен индуктивный элемент, другим своим выводом соединенный с излучателем антенны. Параллельно индуктивному элементу подсоединен емкостной элемент, который одним из своих выводов соединен с корпусом высокочастотного разъема, а вторым из своих выводов соединен с индуктивным элементом. Производителем известной антенны декларируются следующие характеристики: диапазоны рабочих частот VHF/UHF (144-148 МГц и 430-450 МГц); номинальная непрерывная подводимая мощность - 25 Вт (пиковая 60 Вт). Фактические измерения коэффициента стоячей волны (КСВ) этой антенны на макете портативной радиостанции дали следующие результаты: КСВ меньше 2 в диапазоне 148-174 МГц и в диапазоне 408-451 МГц, т.е. реальная ширина полосы рабочих частот по уровню КСВ, равного 2, составила 26%.
Недостатком известного устройства является относительно узкая полоса нижнего диапазона рабочих частот.
Известно применение дополнительных компонентов из ферритов для обеспечения более широкого диапазона рабочих частот. Однако такой подход ограничивает максимальную рабочую мощность устройства в силу значительного нагрева компонентов, а также снижает коэффициент усиления антенны.
Проблемой, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является обеспечение устройства, лишенного недостатков известного уровня техники.
Техническим результатом, достигаемым применением заявленной полезной модели, является повышение рабочей мощности антенны с одновременным расширением рабочих диапазонов и повышением коэффициента усиления антенны в нижнем диапазоне частот.
Указанная проблема решается, а поставленный технический результат достигается тем, что антенна включает излучатель антенны, высокочастотный разъем, индуктивный элемент, своим первым выводом соединенный с центральным контактом высокочастотного разъема, а своим вторым выводом соединенный с излучателем антенны, емкостной элемент, своим первым выводом соединенный с корпусом высокочастотного разъема, а своим вторым выводом соединенный с индуктивным элементом, и изготовленный из электропроводящего материала элемент связи, соединенный с корпусом высокочастотного разъема и охватывающий излучатель антенны со стороны, прилегающей к индуктивному элементу, с образованием диэлектрического зазора между элементом связи и поверхностью излучателя антенны.
Элемент связи может быть выполнен в виде кольца с разрезом.
Элемент связи может быть выполнен в виде спирали.
Излучатель антенны может состоять из двух частей, первая из которых выполнена в виде плоского полотна, а вторая из которых выполнена в виде цилиндрического переходника.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 иллюстрирует известную антенну.
Фиг. 2 иллюстрирует вариант осуществления полезной модели с элементом связи в виде кольца с разрезом.
Фиг. 3 иллюстрирует еще один вариант осуществления полезной модели.
Фиг. 4 иллюстрирует еще один вариант осуществления полезной модели с элементом связи в виде спирали.
Фиг. 5 иллюстрирует еще один вариант осуществления полезной модели с элементом связи в виде спирали.
Фиг. 6 иллюстрирует вариант осуществления элемента связи в виде проводящего кольца с разрезом.
Фиг. 7 иллюстрирует вариант осуществления элемента связи в виде проводящей спирали.
Позициями на фигурах обозначены:
1 - высокочастотный разъем антенны;
2 - корпус высокочастотного разъема;
3 - сигнальный контакт высокочастотного разъема;
4 - емкостной элемент;
5 - индуктивный элемент;
6 - элемент связи;
6.1 - вариант элемента связи в виде кольца с разрезом;
6.2 - вариант элемента связи в виде спирали;
7 - излучатель антенны;
8 - точками обозначены электрические соединения;
9 - переходник из электропроводящего материала;
10 - прокладка из диэлектрика.
ПОДРОБНОЕ РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Конструкция известной антенны (фиг. 1) включает высокочастотный разъем 1 с корпусом 2. К сигнальному контакту 3 высокочастотного разъема 1 первым своим выводом подсоединен индуктивный элемент 5, другим своим выводом соединенный с излучателем 7 антенны. В качестве индуктивного элемента 5 используется катушка индуктивности. Параллельно индуктивному элементу 5 подсоединен емкостной элемент 4, который одним из своих выводов соединен с корпусом 2 высокочастотного разъема 1, а вторым из своих выводов соединен с индуктивным элементом 5. В качестве емкостного элемента 4 используется конденсатор. Следует отметить, что индуктивный элемент 5 служит для уменьшения продольных габаритов антенны, то есть выполняет функцию так называемой удлиняющей катушки, что позволяет изготавливать излучатель 7 антенны меньшим, чем четверть длины волны сигнала.
С целью достижения заявленного технического результата конструкция известной антенны была дополнена изготовленным из электропроводящего материала элементом 6 связи, который подключен к корпусу 2 высокочастотного разъема 1 и охватывает часть излучателя 7 антенны с образованием диэлектрического зазора.
Указанный элемент 6 связи создает дополнительную резонансную систему, которая образуется емкостью элемента 6 связи с излучателем 7 антенны, взаимоиндукцией между распределенной индуктивностью элемента 6 связи и удлиняющей катушкой, т.е. индуктивным элементом 5. Это обеспечивает дополнительное согласование антенны с нагрузкой по КСВ на рабочих частотах антенны.
Также указанный элемент 6 связи меняет распределение токов в излучателе 7 антенны, что приводит к сжатию диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости на нижних рабочих диапазонах частот. Сжатие диаграммы направленности с дополнительным согласованием антенны с нагрузкой по КСВ приводит к увеличению коэффициента усиления антенны. При этом, поскольку устройство не содержит ферритовых и резистивных элементов, а элемент 6 связи имеет малые омические потери и малые потери в диэлектрическом зазоре, рабочая мощность антенны может быть повышена.
Сам излучатель 7 антенны может быть выполнен из плоского или объемного проводника в виде трубки, или в виде толстой проволоки, или в виде гибкой ленты (нескольких лент), или плетенки, одетой на гибкий пруток из непроводящего электричество материала.
Вариант осуществления полезной модели может включать излучатель 7 антенны, выполненный сплошным из объемного проводника в виде трубки (фиг. 2, 4), а элемент 6 связи конструктивно выполнен в виде кольца 6.1 с разрезом (фиг. 2, 6). Элемент 6 связи соединен с корпусом 2 высокочастотного разъема 1 и охватывает излучатель 7 антенны в части, примыкающей к индуктивному элементу 5, с образованием зазора. Для повышения диэлектрических свойств в зазор вводится диэлектрическая прокладка 10.
Диаметр кольца 6.1 должен быть таким, чтобы оно плотно охватывало излучатель 7 антенны с диэлектрической прокладкой 10.
Кольцо 6.1 изготавливают, например, из жести в форме прямоугольника, согнутого в незамкнутый цилиндр. При этом толщина материала кольца 6.1 большого значения не имеет. Она определяется удобством использования материала. Оптимальный материал - мягкая жесть из меди толщиной 0,2 мм.
Ширина разреза должна быть не более 1/4 длины окружности цилиндрического излучателя 7 антенны (или окружности переходника 9, приведенного на фиг. 3, 5, о котором будет сказано далее), которую охватывает кольцо 6.1, но достаточно большой, чтобы гарантировать отсутствие замыкания разреза при эксплуатации антенны в штатных режимах. Высота и длина прямоугольника, свернутого в кольцо с разрезом, подбирается по минимуму КСВ в рабочих полосах частот.
Диэлектрический зазор между кольцом 6.1 и поверхностью излучателя 7 антенны определяется толщиной материала диэлектрической прокладки 10. Для получения необходимой емкостной связи кольца 6.1 с излучателем 7 антенны можно взять тонкий диэлектрик с малой высотой кольца 6.1 или более толстый диэлектрик с высотой кольца 6.1 больше, чем в случае использования тонкого диэлектрика.
Еще один вариант осуществления полезной модели раскрывает конструкцию антенны с излучателем 7 антенны в виде плоского полотна, например, из металлической ленты, как показано на фиг. 3 и фиг. 5. Для сохранения преимуществ, обеспечиваемых элементом 6 связи, во втором варианте осуществления полезной модели предусмотрен переходник 9 из электропроводящего материала. Переходник 9 механически и электрически соединяет индуктивный элемент 5 с излучателем 7 антенны и представляет собой цилиндр (металлическую трубку или пруток) из электропроводящего материала, например, меди, латуни, стали и других подходящих материалов или их сплавов, расположенный соосно с индуктивным элементом 5 и осью симметрии полотна излучателя 7 антенны. При этом переходник 9 является по существу частью излучателя 7 антенны, а общая длина излучателя 7 антенны равна сумме длин переходника 9 и плоского полотна излучателя 7 антенны. Это обстоятельство определяет первое условие на выбор длины переходника 9.
Элемент 6 связи во втором варианте осуществления охватывает переходник 9 с образованием зазора между элементом 6 связи и поверхностью переходника 9. Для повышения диэлектрических свойств в зазор вводится диэлектрическая прокладка 10. Диаметр кольца 6.1 должен быть таким, чтобы оно плотно охватывало переходник 9 с диэлектрической прокладкой 10. В остальном характеристики такого элемента 6 связи выбираются аналогично первому варианту.
При этом длина переходника 9 должна быть больше длины элемента 6 связи. В самом деле, в пределах размеров переходника 9 конструкция устройства обладает осевой симметрией относительно оси, совпадающей с осью цилиндра переходника 9. В пределах же размеров плоского полотна излучателя 7 антенны конструкция симметрична лишь относительно плоскости полотна излучателя 7 антенны. Чтобы избежать нежелательного перераспределения электромагнитных характеристик, вызванных влиянием элемента 6 связи на область перехода от конструкции с осевой симметрией к конструкции с симметрией относительно плоскости, элемент 6 связи следует располагать в области устройства, обладающей осевой симметрией, - на переходнике 9, например, в виде трубки или цилиндра. Это обстоятельство накладывает второе условие на выбор длины переходника 9.
Элемент 6 связи и его размещение согласно описанным выше вариантам осуществления полезной модели более подробно представлен на фиг. 6.
Еще один вариант осуществления полезной модели представлен на фиг. 7. Как и в первом варианте, излучатель 7 антенны выполнен сплошным из объемного проводника в виде цилиндра. В отличие от описанного выше варианта, элемент 6 связи здесь конструктивно выполнен витками провода в виде спирали 6.2. Спираль 6.2 соединена с корпусом 2 и охватывает излучатель 7 антенны в части, примыкающей к индуктивному элементу 5, с образованием диэлектрического зазора.
Параметры элемента 6 связи, выполненного витками провода в виде спирали 6.2, подбираются исходя из оптимального КСВ в рабочих диапазонах частот. Данный вариант элемента 6 связи имеет следующие основные параметры: диаметр провода, количество витков, шаг намотки и толщина диэлектрического зазора. Все эти параметры взаимосвязаны между собой и влияют на конечный результат, который зависит также от параметров удлиняющей катушки. С точки зрения габаритов и взаимоиндукции оптимальный внутренний диаметр спирали равен внутреннему диаметру удлиняющей катушки.
При выполнении элемента связи 6 витками провода в виде спирали 6.2 диэлектрический зазор между поверхностью излучателя 7 антенны и витками спирали 6.2 в общем случае обеспечивается изоляционным слоем покрытия проводящего материала, из которого изготавливается такой элемент 6 связи. Для повышения диэлектрических свойств в зазор можно ввести диэлектрическую прокладку 10 аналогично описанному выше варианту осуществления полезной модели.
Указанный диэлектрический зазор может быть увеличен путем изготовления спирали 6.2 такого диаметра, чтобы обеспечить возможность воздушного зазора между витками спирали 6.2 и излучателем 7 антенны.
Еще один вариант осуществления полезной модели включает излучатель 7 антенны, состоящий из двух частей - плоского полотна и переходника 9, как показано на фиг. 3 и фиг. 5. Как и в предыдущем варианте, длина элемента 6 связи такова, чтобы охватывать переходник 9 на длине, меньшей длины переходника 9.
Таким образом, для специалиста будет понятно, что для решения поставленной технической задачи и достижения заявленного технического результата излучатель 7 антенны может быть сплошным цилиндрическим или состоящим из двух частей - плоского полотна и переходника 9. При этом для обоих указанных вариантов элемент 6 связи может быть выполнен как в виде кольца 6.1 с разрезом, так и спирали 6.2.
Электрические соединения на фигурах обозначены точками 8.
Во всех вариантах осуществления изобретения емкостной элемент 4 может быть представлен несколькими параллельно включенными конденсаторами с целью повышения надежности работы устройства. Кроме того, емкостной элемент 4 в предлагаемой антенне подключен только на части длины индуктивного элемента 5. За счет этого обеспечивается согласование антенны с нагрузкой по КСВ на верхних диапазонах рабочих частот.
Суммарная длина излучателя 7 антенны определяется требуемой нижней частотой диапазона рабочих частот. Излучатель 7 антенны оптимально реализовать в полужестком виде. Высокочастотный разъем 1 антенны, емкостной элемент 4, индуктивный элемент 5, элемент 6 связи могут быть размещены в корпусе из проводящего или непроводящего электричество материала. Внутри и снаружи индуктивного элемента 5, элемента связи 6 и излучателя 7 антенны может быть расположен материал из диэлектрика.
Работает устройство следующим образом.
Антенна устанавливается на радиостанцию путем закрепления высокочастотного разъема 1 антенны в антенном разъеме радиостанции. При включении радиостанции в режим передачи сигнал с выхода усилителя мощности радиостанции поступает в антенну через сигнальный контакт 3 разъема. Далее сигнал проходит через индуктивный элемент 5 либо последовательно через индуктивный элемент 5 и переходник 9 при наличии последнего, приходит на излучатель 7 антенны и затем происходит излучение радиоволны. При этом, за счет того, что элемент 6 связи создает резонансную систему, которая образуется емкостью элемента связи с антенным излучателем, взаимоиндукцией между распределенной индуктивностью элемента 6 связи и индуктивным элементом 5, осуществляется дополнительное согласование антенны с нагрузкой по КСВ на рабочих частотах антенны. Благодаря отсутствию ферритовых компонентов и резистивных элементов не накладываются ограничения на рабочую мощность антенны; более того, рабочая мощность антенны может быть повышена.
Автором были реализованы все описанные варианты осуществления полезной модели. В макетном образце в качестве разъема 1 был использован высокочастотный разъем типа TNC. Разъем 1, емкостной элемент 4, индуктивный элемент 5, элемент 6 связи были расположены в трубке из полипропилена. Снаружи была использована термоусаживаемая трубка, обеспечивающая защиту от пыли и влаги. При условии использования герметичного разъема и размещения всей конструкции в термоусаживаемой трубке антенна допускает погружение в воду. Используемые материалы обеспечивают работоспособность антенны при температуре окружающей среды от -50°С до +50°С.
Эксперименты показали, что антенна работает в интервалах частот 109-193 МГц и 366-550 МГц, причем в диапазоне УКВ/ДМВ антенна полностью перекрывает диапазоны VHF (137-174 МГц), UHF (400-470 МГц), а также диапазоны 120-137 МГц, 174-193 МГц, 366-400 МГц, 470-550 МГц с КСВ не более 2, а на частоте 109 МГц антенна имеет КСВ около 3. Заявленная антенна по уровню КСВ, равного 2, имеет ширину полосы рабочих частот 85%, и по уровню КСВ, равного 3, имеет ширину полосы рабочих частот 95%. Для данных частот длина переходника в случае выполнения антенны в соответствии с вариантами, включающими наличие переходника 9, составляет не более 29 мм. При этом номинальная непрерывная рабочая мощность составила 40 Вт, а пиковая 80 Вт.
Данные КСВ по частотам более подробно приведены в таблицах ниже:
Таблица 1. КСВ известной антенны
Частота, МГц
109
112
120
144
161
177
200
360
406
435
454
500
550
КСВ
8,7
7,3
5,5
2
1,3
2
3,3
4,7
2
1,3
2
3,8
4,2
Таблица 2. КСВ заявленной антенны
Частота, МГц
109
112
120
144
161
177
200
360
406
435
454
500
550
КСВ
3
2,7
2
1,3
1,2
1,3
2
2
1,4
1,3
1,4
1,3
2
Проводились также сравнительные испытания известной антенны и заявленной антенны по коэффициенту усиления на расстоянии около 40 метров между передатчиком и приемником. Результаты приведены в таблице ниже.
Таблица 3. Результаты сравнительных испытаний известной и заявленной антенн
Частота, МГц
108
113
118
148
161
174
Разница, dB
+9,2
+10,3
+7,5
+7,3
+1,5
+0,5
Испытания показали, что в сравнении с известной антенной получен прирост коэффициента усиления заявленной антенны в диапазоне 109-174 МГц, преимущественно использующемся для связи на удаленные расстояния, при одновременном расширении рабочих диапазонов и увеличении рабочей мощности.