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 быть использовано в приемопередающих системах передачи информации. Антенна позволяет обеспечивать прием и передачу сигналов физических каналов в диапазоне частот от 30 до 520 МГц с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ), и может применяться в качестве передающей и/или приемной антенны с возимыми и базовыми радиостанциями.
Из заявки на патент США US2010302116 (опубликована 02.12.2010; МПК H01Q9/16, H01Q21/12, H01Q21/00) 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 устройство снабжено фильтром. Ограничениями этого устройства являются необходимость использования фильтра, недостаточная широкополосность в области высоких частот и большие продольные габариты.
Наиболее близкой заявленному изобретению является антенна фирмы Trival Antene AD-27/V150-3512-DF, работающая в диапазоне 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 имеет основание, реализованное в виде стакана, снабженного фланцем для его крепления к базовой поверхности, амортизатора, выполненного в виде винтовой пружины из отрезков двух коаксиальных кабелей соответственно 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:
- достаточно большой КСВ до 3,5;
- необходимость использования радиочастотных фильтров, которые при использовании единого излучателя являются сложным и трудоемким изделием;
- большие продольные габариты (длина антенны вместе с основанием составляет 1,55 м);
- недостаточно высокая степень удобства использования из-за неразъемной конструкции крепления антенны к основанию.
Решаемая настоящим изобретением задача состоит в улучшении технико-эксплуатационных характеристик антенны.
Технический результат, достигаемый заявленным техническим решением, заключается в уменьшении КСВ антенны, упрощении ее конструкции за счет исключения из основания антенны платы разделительных радиочастотных фильтров, уменьшение продольных габаритов и повышение удобства использования антенны.
Для решения поставленной задачи с достижением заявленного технического результата антенна включает установленные друг за другом вдоль продольной оси основание, реализованное в виде стакана, снабженного фланцем, предназначенным для его крепления к базовой поверхности; амортизатора, выполненного в виде винтовой пружины; первой диэлектрической втулки с фланцем, расположенным со стороны амортизатора и на наружной поверхности которой выполнена резьба Эдисона; соединителя радиочастотного с врубным средством сочленения, приемная часть которого расположена со стороны первой диэлектрической втулки, обращенной от ее фланца; согласующего трансформатора, выполненного с обмоткой из двухпроводной линии на ферритовом кольце, установленного в отверстии, которое выполнено в боковой стенке первой диэлектрической втулки; первого контактного кольца, установленного на фланце первой диэлектрической втулки на стороне, обращенной к соединителю; первого и второго отрезков кабеля, расположенных внутри стакана, амортизатора, первой диэлектрической втулки, причем первый отрезок кабеля подсоединен к соединителю, а второй отрезок кабеля – через согласующий трансформатор 8 к первому контактному кольцу.
Излучатель нижнего поддиапазона включает вторую диэлектрическую втулку, на внутренней поверхности которой выполнена резьба Эдисона с возможностью соединения по резьбе Эдисона второй диэлектрической втулки с первой диэлектрической втулкой, а ответная часть упомянутого соединителя расположена внутри второй диэлектрической втулки с возможностью соединения ответной части с приемной частью соединителя при соединении второй диэлектрической втулки снаружи первой диэлектрической трубки, вторая диэлектрическая втулка снабжена на торцах вторым и третьим контактными кольцами, соединенными токопроводящей полосой, расположенной на наружной поверхности второй диэлектрической втулки, причем второе контактное кольцо установлено с возможностью его контакта с первым контактным кольцом, установленным на фланце первой диэлектрической втулки; две металлические трубки; вставку диэлектрическую полую, установленную между первой и второй металлическими трубками; и третий отрезок кабеля, расположенный внутри установленных друг за другом вдоль продольной оси второй диэлектрической втулки, первой металлической трубки, вставки, второй металлической трубки, причем один конец третьего отрезка кабеля соединен с ответной частью соединителя, а в области торца первой металлической трубки она установлена с обеспечением контакта с третьим контактным кольцом второй диэлектрической втулки.
Излучатель верхнего поддиапазона включает установленные друг за другом вдоль продольной оси третью диэлектрическую втулку, третью металлическую трубку, винтовую спираль, токопроводящий трос, и ферритовые кольца. Третья диэлектрическая втулка установлена в области торца второй металлической трубки. Третий отрезок кабеля расположен внутри третьей диэлектрической втулки и третьей металлической трубки, и его центральная жила на его другом конце соединена с одним концом винтовой спирали, а оплетка – с третьей металлической трубкой. Другой конец винтовой спирали электрически соединен с токопроводящим тросом, при этом ферритовые кольца установлены на наружной поверхности третьего отрезка кабеля внутри третьей диэлектрической втулки.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- основание было снабжено заглушкой, которая выполнена в виде стакана с резьбой Эдисона на его внутренней боковой стенке, предназначенного для установки на первой диэлектрической втулке, и пружинящим фиксатором, установленным в прорези фланца первой диэлектрической втулки с возможностью разъемного крепления наружной поверхности боковой стенки заглушки между концами пружинящего фиксатора;
- амортизатор основания был выполнен в виде винтовой фасонной бочкообразной пружины, а стакан – коническим;
- излучатель верхнего поддиапазона был снабжен насадкой полой, диэлектрической, конусообразной, установленной в области винтовой спирали на третьей металлической трубке и на токопроводящем тросе;
- первая, вторая и третья металлическая трубки, вставка, третья диэлектрическая втулка были снабжены конфигурационными выступами и выемками с возможностью размещения соседних смежных конфигурационных выступов в конфигурационных выемках.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются с помощью варианта его выполнения со ссылками на фигуры.
На фиг. 1 изображено основание антенны (для удобства чтения чертежа в разобранном состоянии).
На фиг. 2 изображено то же, что фиг. 1, с установленной и снятой заглушкой (в сборке).
На фиг. 3 изображен излучатель нижнего поддиапазона (диапазона МВ) (для удобства чтения чертежа – в разобранном состоянии).
На фиг. 4 изображен излучатель верхнего поддиапазона (диапазона ДМВ1) (для удобства чтения чертежа – в разобранном состоянии);
На фиг. 5 изображена электрическая схема подсоединения;
На фиг. 6 представлен общий вид антенны при установке излучателя на основание.
Заявленная антенна (фиг. 1–4) содержит следующие элементы.
Основание 1 (фиг. 1, 2) включает установленные друг за другом вдоль продольной оси стакан 2, снабженный фланцем 3, предназначенным для его крепления к базовой поверхности; амортизатор 4, выполненный в виде винтовой пружины; первую диэлектрическую втулку 5 с фланцем 6, расположенным со стороны амортизатора 4 и на наружной поверхности которой выполнена резьба Эдисона; соединитель 7 радиочастотный с врубным средством сочленения, приемная часть которого расположена со стороны первой диэлектрической втулки 5, обращенной от ее фланца 6.
Основание 1 имеет согласующий трансформатор 8, выполненный с обмоткой из двухпроводной линии на ферритовом кольце, которое установлено в отверстии, выполненном в боковой стенке первой диэлектрической втулки 5.
На фланце 6 первой диэлектрической втулки 5 на стороне, обращенной к соединителю 7, установлено первое контактное кольцо 9. Два отрезка кабеля – первый отрезок 10 кабеля и второй отрезок 11 кабеля – расположены внутри стакана 2, амортизатора 4, первой диэлектрической втулки 5. Первый отрезок 10 кабеля подсоединен к соединителю 7, а второй отрезок 11 кабеля – через согласующий трансформатор 8 к первому контактному кольцу.
На фиг. 1 также показана заглушка 12 и высокочастотные разъемы 13, 14. На фиг. 2 слева заглушка 12 установлена, а на фиг. 2 справа – снята и установлена в пружинящем фиксаторе 15.
Излучатель 20 (фиг. 3) нижнего поддиапазона (диапазона МВ) реализован из второй диэлектрической втулки 21, на внутренней поверхности которой выполнена резьба Эдисона с возможностью соединения по резьбе Эдисона второй диэлектрической втулки 21 с первой диэлектрической трубкой 5 (фиг. 1), а ответная часть упомянутого соединителя 7 расположена внутри второй диэлектрической втулки 21 с возможностью соединения ответной части с приемной частью соединителя 7 при соединении второй диэлектрической втулки 21 снаружи первой диэлектрической трубки 5.
Вторая диэлектрическая втулка 21 снабжена на торцах вторым контактным кольцом 22 и третьим контактным кольцом 23, соединенными токопроводящей полосой 24, расположенной на наружной поверхности второй диэлектрической втулки 21. Второе контактное кольцо 22 установлено с возможностью его контакта (соединения) с первым контактным кольцом 9 (фиг. 1), установленным на фланце 6 первой диэлектрической втулки 5. Излучатель 20 включает первую металлическую трубку 25, вторую металлическую трубку 26 и вставку 27, выполненную диэлектрической и полой, которая установлена между первой и второй металлическими трубками 25, 26. Третий отрезок 28 кабеля расположен внутри  второй диэлектрической втулки 21, первой металлической трубки 25, вставки 27, второй металлической трубки 26, которые установлены друг за другом вдоль продольной оси. Один конец третьего отрезка 28 кабеля соединен с ответной частью соединителя 7. В области торца первой металлической трубки 26 она установлена в соприкосновении с третьим контактным кольцом 23 второй диэлектрической втулки 21.
Излучатель 30 (фиг. 4) верхнего поддиапазона (диапазона ДМВ1) реализован из третьей диэлектрической втулки 31, третьей металлической трубки 32, винтовой спирали 33 и токопроводящего троса 34, установленных друг за другом вдоль продольной оси, а также из ферритовых колец 35. Третья диэлектрическая втулка 31 установлена в области торца второй металлической трубки 26 (фиг. 3). Упомянутый третий отрезок 28 кабеля расположен внутри третьей диэлектрической втулки 31 и третьей металлической трубки 32, и его центральная жила другого конца соединена с одним концом винтовой спирали 33, а оплетка – с третьей металлической трубкой 32. Другой конец винтовой спирали 33 электрически соединен с токопроводящим тросом 34. Ферритовые кольца 35 установлены на наружной поверхности третьего отрезка 28 кабеля внутри третьей диэлектрической втулки 31.
Кроме того, основание 1 (фиг. 1, 2) может быть снабжено заглушкой 12, которая выполнена в виде стакана с резьбой Эдисона на его внутренней боковой стенке, предназначенного для установки на первой диэлектрической втулке 5, и пружинящим фиксатором 15, установленным в прорези фланца первой диэлектрической втулки 5 с возможностью разъемного крепления наружной поверхности боковой стенки заглушки 12 между концами пружинящего фиксатора 15. Для упрощения конструкции резьба Эдисона на внутренней боковой стенке заглушки может отсутствовать. В этом случае заглушка 12 крепится проволокой, как показано на фиг. 2 слева.
Для повышения удобства использования и улучшения виброзащиты антенны амортизатор 4 основания 1 может быть выполнен в виде винтовой фасонной бочкообразной пружины, а стакан 2 – коническим (фиг. 1, 2).
Кроме того, излучатель 30 верхнего поддиапазона может быть снабжен насадкой 36 полой, диэлектрической, конусообразной, установленной в области винтовой спирали 33 на третьей металлической трубке 32 и на токопроводящем тросе 34. На фиг. 4 также схематично показаны контакт-детали 37 для соединения оплетки третьего отрезка 28 коаксиального кабеля с третьей металлической трубкой 32.
Для удобства сборки и надежности соединения элементов конструкции первая, вторая, третья металлическая трубки 25, 26, 32, вставка 27, третья диэлектрическая втулка 31 могут быть снабжены конфигурационными выступами и выемками с возможностью размещения соседних смежных конфигурационных выступов в конфигурационных выемках (фиг. 3, 4).
Работает антенна следующим образом (фиг. 1, 5).
Первый отрезок 10 кабеля подсоединен к высокочастотному разъему 13 и к соединителю 7 посредством обжатия для обеспечения работы антенны в диапазоне ДМВ1 (220-520) МГц.
Второй отрезок 11 кабеля 11 подсоединен к высокочастотному разъему 14 посредством обжатия и к согласующему трансформатору 8, одна из обмоток которого припаивается к первому контактному кольцу 9 посредством пайки, а другая – к центральной жиле второго отрезка 11 кабеля (фиг. 5) для обеспечения работы антенны в диапазоне МВ (30-220) МГц.
Антенна (фиг. 6) состоит из двух частей, одна из которых – основание 1, а другая – общий излучатель 40, который, в действительности, включает в себя два излучателя – излучатель 20 нижнего поддиапазона (фиг. 3) и излучатель 30 верхнего поддиапазона (фиг. 4).
В основании 1 антенны (фиг. 2) располагается согласующий трансформатор 8 – широкополосное согласующее устройство нижнего поддиапазона, которое внутри первой диэлектрической втулки 5 соединено с первым контактным кольцом 9, служащим для обеспечения контакта согласующего трансформатора 8 с излучателем 20 нижнего поддиапазона (диапазона МВ). Согласующий трансформатор 8 выполнен на ферритовом кольцевом сердечнике, который помещен в специальное отверстие в первой диэлектрической втулке 5, выполненной радиопрозрачной (например, из полиамида).
Первая диэлектрическая втулка 5 снабжена резьбой Эдисона, с помощью которой сопрягаются друг с другом две части антенны – основание 1 и общий излучатель 4 (фиг. 6). Резьба Эдисона примечательна тем, что имеет повышенную сопротивляемость к динамическим нагрузкам, хорошо свинчивается и развинчивается в условиях повышенной загрязненности и имеет большой эксплуатационный ресурс.
Также основание 1 антенны (фиг. 1) снабжено соединителем 7 (например, СР-50-902ФВ), что позволяет соединяться фидерам, проложенным в основании 1 и излучателе 40, одновременно со скручиванием этих двух частей антенны, т.е. при сборке антенны (фиг. 6).
Улучшает эксплуатационные характеристики антенны и амортизатор 4, который 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 антенны или ее вибрации. По этой причине заявленная антенна может устанавливаться не только на стационарных объектах, но и на транспортных и других движущихся средствах.
Защитой соединителя 7 при снятом излучателе 40 является заглушка 12. Она накручивается на первую диэлектрическую втулку 5 или устанавливается в пружинящий фиксатор 15 для крепления в снятом состоянии (фиг. 2).
Излучатель 20 (фиг. 3) антенны состоит из второй диэлектрической втулки 21 и двух металлических трубок 25, 26 (например, алюминиевых), соединенных вставкой 27 (радиопрозрачной, емкостной, например, из полиамида), которые выполняют функцию излучателя нижнего поддиапазона (диапазона МВ). На образующей цилиндрической поверхности второй диэлектрической втулки 21 расположена токопроводящая полоса 24, которая соединяет второе и третье контактные кольца 22 и 23 и обеспечивает электрический контакт излучателя 20 нижнего поддиапазона с основанием 1 антенны. Внутри указанного излучателя 20 нижнего поддиапазона проходит третий отрезок 28 кабеля с соединителем 7 (например, СР-50-903ФВ), питающий другой излучатель 30, расположенный в верхней части и являющийся излучателем верхнего поддиапазона (диапазона ДМВ1).
Излучатель 30 верхнего поддиапазона (диапазона ДМВ1) представляет собой штыревой излучатель, в котором роль индуктивности выполняет винтовая спираль 33, являющаяся частью полотна из токопроводящего троса 34 (например, стального). Для надежности токопроводящий трос 34 обжат втулкой, к которой припаяна винтовая спираль 33. С противоположной от токопроводящего троса 34 стороны к винтовой спирали 33 через контакт-детали 37 припаян третий отрезок 28 кабеля, который проходит через третью металлическую трубку 32 (алюминиевую), являющуюся противовесом излучателя 30 верхнего поддиапазона, соединенным с этими контакт-деталями 37. Далее третья металлическая трубка 32 соединяется с третьей диэлектрической втулкой 31 (радиопрозрачной), в полости которой размещаются ферритовые кольца 35 (например, в количестве восьми), надетые на третий отрезок 28 кабеля для того, чтобы отсечь синфазные токи. Далее третья диэлектрическая втулка 31 соединяется со второй металлической трубкой 26 излучателя 20 нижнего поддиапазона.
Как показали испытания, заявленная антенна имеет КСВ не более 3,1. Упрощение конструкции достигается за счет исключения из основания антенны платы разделительных радиочастотных фильтров. Кроме того, заявленная антенна короче ближайшего аналога по высоте примерно на 0,5 м.
Международный стандарт ISO 9241-11 определяет удобство использования как степень, с которой продукт может быть использован определенными пользователями в 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 последняя определяет минимальность конкретных физических усилий при пользовании вещью, а первая — конечную суммарную степень удобства, меру интеллектуального усилия, необходимого для получения полезных качеств этой вещи, и скорость достижения положительного результата при управлении ею.
Повышение удобства использования непосредственно проявляется в конструкции за счет уменьшения продольных габаритов, разъемности и простоты установки излучателя 40 (фиг. 6), а также использования при соединении резьбы Эдисона.
Наиболее успешно заявленная антенна промышленно применима в приемопередающих изделиях систем передачи информации. Антенна позволяет обеспечивать прием и передачу сигналов физических каналов в диапазоне частот 30–520 МГц и может использоваться в качестве передающей и/или приемной антенны с передвижными транспортными и базовыми радиостанциями.