ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА
BROADBAND ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к широкополосным 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, передачу сигналов радиоканалов в диапазоне частот 100-520 МГц с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ).
Известна широкополосная антенна, содержащая полотна антенны, которые установлены с обеспечением электрической связи между ними вертикально в держателе и выполнены с различной друг от друга длиной (патент США US 3550145, опубликован 22.12.1970, МПК H01Q 21/00, H01Q 9/38, Н01Q 1/50). В этом устройстве полотна антенны выполнены из отрезков изолированных проводов, торцы которых закреплены в держателе вдоль нескольких окружностей с разным диаметром.
Недостатками известного устройства являются большое количество изолированных проводов, что приводит к низкой технологичности конструкции в целом и 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 друг от друга длиной и связаны через трансформатор импеданса с приемопередатчиком (патент США US 4970524, опубликован 13.11.1990, МПК H01Q 9/36). В этом устройстве 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, и длины внутренних отрезков проводов постепенно убывают от отрезка изолированного провода с набольшей 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 относительности продольной оси излучателя, что приводит к неустойчивости антенны и невозможности ее изгиба в поперечном направлении. Устройство имеет сравнительно узкую рабочую полосу частот от 60 до 120 МГц.
Наиболее близкой к заявленной является широкополосная антенна согласно патенту США US 4302760 (опубликован 24.11.1981, МПК H01Q 1/32), содержащая полотна антенны, которые установлены с обеспечением электрической связи между ними в держателе вертикально, имеют различную длину и связаны через трансформатор импеданса с высокочастотным разъемом. В этом устройстве полотна антенны выполнены из отрезков изолированных проводов, которые установлены концами в держателе вдоль окружности так, что длина отрезков проводов постепенно увеличивается вдоль этой окружности от провода с наименьшей длиной к проводу с наибольшей длиной.
Ограничениями данного известного устройства являются узкий рабочий диапазон частот от 30 до 88 МГц, недостаточные упругие свойства и прочность при изгибе, низкий коэффициент технологичности и невысокие эксплуатационные характеристики.
Решаемой настоящим изобретением задачей является улучшение технико-эксплуатационных характеристик широкополосной антенны.
Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является увеличение ширины диапазона рабочих частот, обеспечение высоких упругих свойств и прочности при изгибе, повышение эксплуатационных характеристик антенны.
Для решения поставленной задачи с достижением заявленного технического результата широкополосная антенна содержит четыре полотна антенны, которые установлены в держателе с обеспечением электрической связи между ними, параллельно друг другу и так, что два полотна антенны с меньшей длиной установлены между двумя полотнами антенны с большей длиной с образованием поперечных зазоров между ними. Полотна антенны связаны через трансформатор импеданса с высокочастотным разъемом. Полотна антенны выполнены с выгнутым поперечным профилем. При этом два полотна антенны с большей длиной установлены своими выгнутыми поверхностями наружу, а каждое из ближайших к ним двух полотен антенны с меньшей длиной установлено своей выгнутой поверхностью аналогично соответствующему полотну антенны с большей длиной.
Возможны дополнительные варианты выполнения широкополосной антенны, в которых:
- полотна антенны выполнены из стальных лент и пружинящими в поперечном направлении;
- широкополосная антенна содержит оболочку, установленную на держателе снаружи полотен антенны и снабженную наконечником, установленным на торце оболочки;
- указанная оболочка выполнена из полиолефиновой уплощенной трубки, а наконечник - из полиамида;
- полотна антенны с меньшей длиной выполнены с обращенным вверх концом треугольной формы со скругленной вершиной;
- трансформатор импеданса с высокочастотным разъемом установлен в корпусе из полиамида, подсоединенном к держателю.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения далее поясняются с помощью варианта его исполнения со ссылками на фигуры.
Фиг. 1 схематично изображает заявленную широкополосную антенну в разобранном состоянии (для удобства прочтения чертежа).
На Фиг. 2 схематично показано сечение полотен антенны с держателем вдоль продольной вертикальной оси.
На Фиг. 3 приведен вид полотна антенны с меньшей длиной.
Широкополосная антенна содержит четыре полотна 1, 2, 3, 4 антенны, которые установлены параллельно друг другу с обеспечением электрической связи между ними в держателе 5. Полотна 1, 2, 3, 4 антенны связаны через трансформатор 6 импеданса с высокочастотным разъемом 7.
Полотна 1, 2, 3, 4 антенны выполнены различной длины: два полотна 1, 4 антенны выполнены большей длины, чем полотна 2, 3 антенны, выполненные меньшей длины. При этом полотна 2, 3 антенны с меньшей длиной размещаются в держателе 5 между полотнами 1, 4 антенны с большей длиной, как показано на фиг. 1, 2.
Полотна 1, 2, 3, 4 антенны выполнены в виде отрезков гибких пластин и имеют выгнутый поперечный профиль, как показано на фиг. 1. Отрезки гибких пластин полотен 1, 2, 3, 4 антенны, как было сказано выше, установлены параллельно друг к другу. При этом полотна 1, 4 антенны с большей длиной установлены своими выгнутыми поверхностями наружу, а каждое из ближайших к ним двух полотен 2, 3 антенны с меньшей длиной установлено своей выгнутой поверхностью аналогично соответствующему полотну 1, 4 антенны с большей длиной. Другими словами, полотна 1, 2 антенны установлены своими выгнутыми поверхностями вверх согласно показанному на фиг. 1, а полотна 3, 4 антенны установлены своими выгнутыми поверхностями вниз согласно показанному на фиг. 1.
Ширина полотен 1, 2, 3, 4 антенны подобрана таким образом, чтобы обеспечить удобство эксплуатации и необходимую упругость при изгибе и одновременно увеличить погонную электрическую емкость излучателя широкополосной антенны, составленного из полотен 1, 2, 3, 4 антенны, что приводит к расширению рабочей полосы частот.
Полотна 1, 2, 3, 4 антенны установлены так, что между ними образованы поперечные зазоры (фиг. 2).
Отрезки гибких пластин полотен 1, 2, 3, 4 антенны предпочтительно выполнены пружинящими в поперечном направлении. Этого можно добиться, выполнив их, например, из стальных лент.
Широкополосная антенна может содержать оболочку 8, установленную на держателе 5 и снаружи полотен 1, 2, 3, 4 антенны, т.е. охватывая полотна 1, 2, 3, 4 антенны, и снабженную наконечником 9, установленным на торце оболочки 8. В предпочтительном варианте исполнения оболочка 8 выполнена из полиолефиновой уплощенной трубки, а наконечник 9 - из полиамида.
Полотна 2, 3 антенны, т.е. полотна антенны с меньшей длиной 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.
Для удобства подсоединения антенны к приемопередатчику трансформатор 6 импеданса с высокочастотным разъемом 7 в предпочтительном варианте исполнения изобретения установлен в корпусе 10 из полиамида, подсоединенном к держателю 5.
Заявленная широкополосная антенна работает следующим образом.
Излучение радиочастотных сигналов осуществляется в окружающее пространство полотнами 1, 2, 3, 4 антенны. Сигналы от приемопередатчика поступают к полотнам 1, 2, 3, 4 антенны через высокочастотный разъем 7, трансформатор 6 импеданса, держатель 5, электрически связывающий нижние края отрезков гибких пластин полотен 1, 2, 3, 4 антенны. 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 6 (широкополосное согласующее устройство), в предпочтительном варианте изобретения объединенный с высокочастотным разъемом 7 и держателем 5 (представляющим собой фигурную втулку) полотен 1, 2, 3, 4 антенны при помощи жесткого корпуса 10 из черного полиамида. К держателю 5 приклепываются полотна 1, 2, 3, 4 антенны, образовывая излучатель.
В широкополосной антенне может использоваться трансформатор 6, выполненный на ферритовом сердечнике (трансфлюкторе) с применением витой пары на печатной плате. Специалисту понятно, что в заявленном устройстве могут использоваться различные конструкции трансформатора 6 импеданса в зависимости от конкретного технического задания.
Излучатель широкополосной антенны, составленный из полотен 1, 2, 3, 4 антенны, представляет собой набор отдельных профилированных лент, пружинных и разной длины, причем снаружи расположены наиболее длинные полотна 1, 4 антенны, а внутри - более короткие, убывающие по длине полотна 2, 3 антенны. Полотна 1, 2, 3, 4 антенны 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 антенны в условиях хранения или после ее изгиба от воздействия внешних силовых факторов во время эксплуатации. При этом для обеспечения еще большей упругости при изгибе широкополосной антенны полотна антенны сгруппированы попарно, так что соседние более длинное полотно антенны и более короткое полотно антенны одной пары, например, полотна 1, 2 антенны, направлены своими выгнутыми поверхностями в одну сторону, в частности наружу относительно продольной оси антенны (на фиг. 1 - вверх, на фиг. 2 - влево), а соответствующие полотна антенны второй пары - полотна 3, 4 антенны - 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).
Длины полотен 1, 2, 3, 4 антенн поочередно с противоположных сторон уменьшаются в направлении к продольной оси: как показано на фиг. 2, наибольшей длиной обладает расположенное снаружи полотно 1 антенны; за ним по длине идет другое полотно антенны, также расположенное снаружи - полотно 4 антенны; следующим по длине является полотно 2 антенны, расположенное ближе к полотну 1 антенны (самому длинному среди полотен 1, 2, 3, 4 антенны); и самым коротким является полотно 3 антенны, расположенное рядом с полотном 4 антенны.
Гибкость полотен 1, 2, 3, 4 антенны, помимо удобства эксплуатации, предотвращает возможность разрушения высокочастотного разъема как на приемопередатчике, так и на самой штыревой антенне. Отрезки гибких пластин полотен 1, 2, 3, 4 антенны имеют твердость 450-520 HV.
Каждое полотно 2, 3 антенны 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, широкополосная антенна может содержать оболочку 8, охватывающую полотна 1, 2, 3, 4 антенны, выполненную, например, из термоусаживаемой полиолефиновой трубки, которая позволяет защитить широкополосную антенну от воздействия внешних факторов - пыли, грязи, влаги и др. При этом верхний торец оболочки 8 антенны закрывается наконечником 9, например, из черного полиамида. Выбор в качестве материала оболочки 8 полиолефина позволяет не препятствовать изгибу полотен 1, 2, 3, 4 антенны.
Отрезки гибких пластин полотен 1, 2, 3, 4 антенны, 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 широкополосной антенны используется корпус приемопередатчика.
Как показали испытания, заявленная широкополосная антенна работает в диапазоне частот 100-520 МГц и при этом обеспечивает удобство хранения и эксплуатации даже в сложенном состоянии. Высокочастотный разъем 7 позволяет удобно и быстро подсоединить (отсоединить) широкополосную антенну к приемопередатчику.
В целом, за счет указанных выше особенностей исполнения широкополосная антенна позволяет 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 широкополосная антенна может применяться для связи между стационарными объектами или подвижными объектами, например, передвижными радиостанциями в различных приемопередающих устройствах систем передачи информации.