ПЕЧАТНАЯ АНТЕННА С ИНТЕГРИРОВАННЫМ РАДИОПРОЗРАЧНЫМ УКРЫТИЕМ

Полезная модель относится к печатным антеннам, применяющимся в реализации беспроводных каналов связи, устанавливаемых преимущественно на летательных аппаратах (ЛА).
Известны конструкции многослойных печатных антенн, используемые при конструировании различных радиоэлектронных устройств (патенты на изобретения: RU №2295809, H01Q 13/10, H01Q 21/24, опубликован 20.03.2007; RU №2400877, H01Q 9/00, опубликован 27.09.2010; RU №2484559, H01Q 1/38, Н05К 1/03, опубликован 08.06.2010; RU №2295809, H01Q 13/10, H01Q 21/24, опубликован 20.03.2007; патент RU №2172081, Н05К 1/00, Н05К 1/11, Н05К 1/14, Н05К 3/46, опубликован 10.08. 2001, свидетельство на полезную модель RU №6471, H01Q 21/00, опубликовано 30.04.2002).
Такие антенны содержат несколько диэлектрических и металлических слоев, на которых помещены плоские проводящие излучающие элементы. К числу их достоинств относятся малые габаритные размеры и масса, высокая надежность, простота и низкая стоимость изготовления.
Для создания радиопрозрачных укрытий (РПУ) антенн используют многослойные оболочки различных конструкций, защищающие антенну от внешних воздействий (патенты на изобретения RU №2149927, H01Q 1/42, опубликован 27.05.2011; RU 2644621, H04Q 1/42, опубликован 13.02.2018; патент на полезную модель RU №164302, H01Q 1/00, опубликован 27.08.2016).
Создание специального корпуса для печатной антенны значительно увеличивает стоимость проектирования и изготовления. Материал, из которого выполняется радиопрозрачный корпус, может ограничивать условия применимости антенны, связанные с механической хрупкостью корпуса, а также зависимости характеристик материала корпуса от климатических факторов.
Использование радиопрозрачного корпуса различных конструкций для антенны на малых ЛА зачастую оказывает влияние на аэродинамику ЛА, подвергающегося повышенной ветровой нагрузке. В связи с этим возникает актуальная, современная задача по разработке малогабаритных, невыступающих, надежных, простых и высокотехнологичных бортовых антенн ЛА.
Известны конструкции печатных антенн, у которых РПУ реализовано в виде корпуса, в который они устанавливаются (см., например, свидетельство на полезную модель RU №2055, H01Q 1/38, опубликовано 16.04.1996).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство, раскрытое в описании полезной модели по патенту на полезную модель RU №124517, H01Q 23/00, опубликовано 07.08.2012 и выбранное в качестве прототипа.
Устройство-прототип содержит герметичный корпус, внутри которого размещена многослойная печатная плата. На многослойной печатной плате размещены антенные элементы. Герметичный корпус состоит из металлического основания и радиопрозрачной крышки, выполняющей роль радиопрозрачного укрытия (РПУ). Крышка корпуса выполнена в форме усеченной пирамиды с уплощенными ребрами и гранями, имеющими арочную конфигурацию, а основание выполнено с торцами в виде радиаторов.
Недостатками такой антенны с РПУ при установке на планере ЛА является увеличение ветровой нагрузки из-за выступающего корпуса. Кроме этого, корпус имеет сложную конструкцию, что приводит к необходимости выполнения трудоемких конструкторских и технологических работ и большой трудоемкости при изготовлении антенны и ее сборке.
Задачей, решаемой полезной моделью, является разработка печатной антенны с интегрированным РПУ с уменьшенной ветровой нагрузкой при обтекании потоком воздуха, с возможностью установки антенны непосредственно в обшивке планера ЛА наряду с упрощением процесса разработки, конструкции антенны и технологии ее изготовления.
Указанный технический результат достигается тем, что печатная антенна с интегрированным радиопрозрачным укрытием, содержащая многослойную печатную плату, дополнительно содержит крепежный фланец, выполненный из металлического материала, крепежный фланец прикреплен к многослойной печатной плате, на поверхности крепежного фланца, обращенной к многослойной печатной плате, выполнен паз, который частично перекрыт многослойной печатной платой с образованием полости между многослойной печатной платой и крепежным фланцем, во фланце выполнены отверстие для СВЧ-разъема, установленного на многослойной печатной плате, и резьбовые отверстия для установки винтов, предназначенных для крепления печатной антенны к обшивке планера ЛА, в которой выполнено отверстие для размещения печатной антенны с возможностью образования полости между обшивкой планера ЛА и многослойной печатной платой и частичного перекрытия паза, выполненного в крепежном фланце, при этом внешняя сторона многослойной печатной платы содержит слой диэлектрика, образующего радиопрозрачное укрытие.
В предлагаемой печатной антенне крепежный фланец может быть выполнен из стали и прикреплен к многослойной печатной плате с помощью винтов или с помощью заклепок.
В предлагаемой печатной антенне в качестве СВЧ-разъема применен СВЧ-разъем поверхностного монтажа, а полость между поверхностью отверстия для СВЧ-разъема и СВЧ-разъемом залита по его периметру компаундом.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлены:
на фиг. 1 - общий вид печатной антенны;
на фиг. 2 - печатная антенна, вид в поперечном сечении;
на фиг. 3 - печатная антенна, вид снизу;
на фиг. 4 - общий вид крепежного фланца;
на фиг. 5 - крепежный фланец, вид сверху;
на фиг. 6 - многослойная печатная плата, общий вид;
на фиг. 7 - многослойная печатная плата, вид в поперечном сечении;
на фиг. 8 - многослойная печатная плата с установленным СВЧ-разъемом;
на фиг. 9 - пример крепления печатной антенны к планеру ЛА.
На фиг. 1-9 обозначены:
1 - многослойная печатная плата;
2 - крепежный фланец;
3 - винты крепления крепежного фланца 2 к многослойной печатной плате 1;
4 - паз на поверхности крепежного фланца 2;
5 - резьбовые отверстия в крепежном фланце 2 для винтов крепления к планеру ЛА;
6 - СВЧ-разъем (сверхвысокочастотный разъем) поверхностного монтажа;
7 - отверстие в крепежном фланце 2 для СВЧ-разъема 6;
8 - компаунд;
9 - резьбовые отверстия в крепежном фланце 2 для винтов 3 крепления фланца 2 к многослойной печатной плате 1;
10 - отверстия в многослойной печатной плате 1;
11, 12 - слои диэлектрика;
13 - слой топологии антенны;
14 - возбуждающая микрополосковая линия;
15 - переходное отверстие;
16 - контактная площадка для пайки центрального контакта СВЧ-разъема 6;
17 - слой сплошной металлизации, выполняющий роль экрана, на котором располагается СВЧ-разъем 6 для поверхностного монтажа;
18, 19 - слои препрега;
20 - слой РПУ;
21 - планер ЛА;
22 - винты крепления крепежного фланца 2 к планеру 21 ЛА;
23 - полость для герметика;
24 - герметик.
Предлагаемая печатная антенна содержит скрепленные между собой многослойную печатную плату 1 и крепежный фланец 2 (фиг. 1, 2). Крепежный фланец 2 выполнен из стали 20 с покрытием Ц9.хр ГОСТ 19903-2015 и прикреплен к многослойной печатной плате 1 с помощью четырех винтов 3, установленных в четыре отверстия 10, выполненные в многослойной печатной плате 1, и в четыре резьбовые отверстия 9, выполненные в крепежном фланце 2 (фиг. 2-6). В общем случае крепежный фланец 2 может быть выполнен из другого металла и скреплен с многослойной печатной платой 1 с помощью иного количества винтов 3 и отверстий 9, 10 и иными способами, например, с помощью заклепок. При этом количество винтов и заклепок, их расположение может отличаться от их количества и расположения, приведенных на чертежах.
На поверхности крепежного фланца 2, обращенной к многослойной печатной плате 1, выполнен паз 4, который частично перекрыт многослойной печатной платой 1 с образованием полости между многослойной печатной платой 1 и крепежным фланцем 2 (фиг. 2). При размере печатной платы 1 60 мм на 56 мм (фиг. 6) размер крепежного фланца 2 (фиг. 5) может составлять 83 мм на 79 мм при толщине 3 мм, а ширина паза составлять 4 мм при глубине 1,5 мм.
Во фланце 2 выполнено отверстие 7 для СВЧ-разъема 6 поверхностного монтажа, установленного на многослойной печатной плате 1 со стороны, обращенной к крепежному фланцу 2 (фиг. 2, 3). Размер этого отверстия составляет 12 мм на 9 мм, но может быть и иным. Для защиты места пайки от влаги и обеспечения дополнительной механической прочности в месте присоединения СВЧ-кабеля к СВЧ-разъему 6 полость, образованная между СВЧ-разъемом 6, поверхностью отверстия 7 и поверхностью печатной платы 1, залита компаундом 8 марки 34-300 по ОСТ 107.460007.007-92 (фиг. 2, 3).
Крепежный фланец 2 имеет также резьбовые отверстия 5 для установки винтов 22, предназначенных для крепления печатной антенны к обшивке планера 21 ЛА (фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 9).
Многослойная печатная плата 1 содержит, в частности, два слоя диэлектрика 11 и 12, имеющих форму пластин, выполненных из текстолита Rogers RO4003C, слой 13 топологии антенны, возбуждающую микрополосковую линию 14, соединенную с помощью переходного отверстия 15 с контактной площадкой 16 для пайки центрального контакта СВЧ-разъема 6 (фиг. 7). Нижняя поверхность диэлектрического слоя 12 покрыта слоем сплошной металлизации, выполняющим роль экрана, на котором располагается СВЧ-разъем 6 для поверхностного монтажа (фиг. 8). Над слоем 13 топологии антенны находится слой 20 РПУ, выполненный из стеклотекстолита Rogers RO4003C. Между слоем 20 РПУ и слоем 13 топологии антенны находится слой препрега 18, который покрывает также слой диэлектрика 11. Между слоями диэлектриков 11 и 12 находится слой препрега 19, который покрывает также микрополосковую линию 14. Препреги 18 и 19 - это композиционные материалы, которые получают путем пропитки армирующей волокнистой основы равномерно распределенными полимерными связующими. Препреги 18 и 19 изготовлены из материала Rogers RO4450B. Препреговая технология позволяет получить монолитную печатную плату с РПУ при минимальной инструментальной обработке.
Слой 17 сплошной металлизации покрывает нижнюю часть диэлектрика 12 и выполняет роль экрана, на котором располагается СВЧ-разъем 6 для поверхностного монтажа (фиг. 8).
Печатная плата 1 и фланец 2 (фиг. 5, 6) имеют прямоугольную форму со скругленными углами, но могут иметь и другие формы, например, круглую или и эллиптическую.
Предлагаемая печатная антенна с РПУ крепится винтами 22 к планеру 21 ЛА с образованием полости 23, которая заполняется герметиком 24. Полость 23 имеет Т-образную форму, но в общем случае полость 23 может иметь и другую форму.
Подобная конструкция обеспечивает возможность установки в плоскости обшивки ЛА, таким образом, минимизировав влияние на аэродинамику. Помимо этого, вместе с обшивкой конструкция антенны позволяет реализовать «клетку Фарадея» - минимизировать электромагнитное излучение внутрь ЛА.
Таким образом, технический результат предлагаемой полезной модели заключается в разработке печатной антенны с интегрированным РПУ, которая обеспечивает уменьшение ветровой нагрузки при обтекании антенны потоком воздуха с возможностью установки антенны непосредственно в обшивке планера ЛА с одновременным упрощением процесса разработки, конструкции антенны и технологии ее изготовления.
Упрощение конструкции и технологии изготовления антенны достигается за счет изготовления РПУ и антенны в рамках одного и того же производства. Роль РПУ выполняет слой диэлектрика, нанесенный поверх топологии антенны. Данная технология позволяет использовать все виды преимуществ изготовления печатных плат, обеспечивает высокую повторяемость электродинамических характеристик антенны.
Антенна проста в сборке, поскольку состоит из 3-х соединенных деталей: многослойной печатной платы 1, СВЧ-разъема 6 для поверхностного монтажа и крепежного фланца 2. Сборка антенны не требует высокой квалификации персонала. Проверки требует только качество пайки СВЧ-разъема 6 и контролируется по показанию векторного анализатора цепей.
На предприятии-заявителе были разработаны и изготовлены экспериментальные образцы предлагаемой печатной антенны с интегрированным РПУ. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили достижение заявленного технического результата.
Промышленная применимость полезной модели определяется тем, что предлагаемое устройство может быть изготовлено на основании приведенного описания и чертежей и использовано в беспроводных каналах связи, устанавливаемых преимущественно на летательных аппаратах.