АНТЕННА ДЛЯ ПОРТАТИВНОЙ РАДИОСТАНЦИИ
ANTENNA FOR PORTABLE RADIO STATION

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антеннам с вертикальной поляризацией и секторальной диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, и может использоваться в антеннах для портативных радиостанций.
Общеизвестна направленная антенна типа «Волновой канал» (https://ru.wikipedia.org/wiki/Волновой_канал).
Антенна состоит из размещенных на траверсе активного и ряда пассивных вибраторов - рефлекторов, расположенных относительно направления излучения за активным вибратором, а также директоров, расположенных перед активным вибратором. Чаще всего применяется один рефлектор; число директоров меняется от нуля до десятков. Активный вибратор имеет длину около полуволны, или 0.5λ, где λ - длина волны, рефлектор - длину немного большую 0,5λ, директоры имеют длину меньшую чем 0,5λ. Расстояния от активного вибратора до рефлектора и до первого директора составляют около 0,25λ.
Излучение антенны можно рассматривать как сумму излучений всех составляющих ее вибраторов. Ток, наведенный излучением активного вибратора в рефлекторе, наводит в нем напряжение. Для рефлектора, сопротивление которого носит индуктивный характер за счет длины, большей 0,5λ, напряжение отстает по фазе от напряжения в активном вибраторе на 270°. В результате излучение активного вибратора и рефлектора в направлении рефлектора складывается в противофазе, а в направлении активного вибратора - в фазе, что приводит к усилению излучения в направлении активного вибратора приблизительно вдвое. Аналогично рефлектору работают директоры, однако из-за емкостного характера их сопротивления (что определяется их меньшей длиной) излучение усиливается в направлении директоров. Каждый дополнительный рефлектор или директор дают прибавку усиления, но меньшую, чем предыдущий рефлектор и директор, причем для рефлектора эффект ослабления действия дополнительных элементов выражен намного сильней, и поэтому более одного рефлектора применяют достаточно редко.
Недостаток антенны типа «Волновой канал» для ее использования в портативной радиостанции заключается в ее больших габаритных размерах и необходимости замены штатной антенны.
Наиболее близкой заявленному изобретению является направленная антенна согласно заявке на патент США US 20040032370 (опубл. 19.02.2004), содержащая корпус портативной радиостанции (корпус мобильного телефона), излучающий элемент и рефлектор, установленные на корпусе, при этом рефлектор электрически связан с корпусом, а излучающий элемент расположен вертикально вверху корпуса.
В известном техническом решении излучающий элемент выполнен плоским. Рефлектор выполнен в виде стержня, расположенного в параллельной плоскости относительно центра вертикальной оси излучающего элемента, не выходя за габариты корпуса, и одним концом подсоединен к нему. Устройство также может содержать директор, который также выполнен в виде стержня, расположенного параллельно относительно вертикальной оси излучающего элемента, не выходя за габариты корпуса, и электрически не связанного с ним. Выполнение функций рефлектора или директора определяются электрическими длинами стержневых элементов. Устройство служит для уменьшения влияния человеческого тела на качество приемопередачи радиосигналов сотовой портативной радиостанции.
Ограничением ближайшего аналога является недостаточно высокий коэффициент направленного действия (КНД) и коэффициент усиления (Ку) для направленной антенны и невозможность работы в режиме всенаправленной антенны.
Решаемая изобретением задача заключается в улучшении технико-эксплуатационных характеристик направленной антенны, а также расширении функциональных возможностей.
Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение Ку и КНД в азимутальном секторе излучения штатной антенны портативной радиостанции, что приводит к кратному повышению дальности радиосвязи в заданном направлении и сложности обнаружения излучения с противоположного направления. Таким образом, повышается скрытность и помехозащищенность радиоканала. Также расширяются возможности использования портативной радиостанции для управления беспилотными летательными аппаратами (БПЛА), роботами и т.п.
Расширение функциональных возможностей достигается за счет обеспечения возможности работы портативной радиостанции как в направленном, так и в штатном всенаправленном режиме.
Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в заявленной антенне, содержащей корпус портативной радиостанции, излучающий элемент и рефлектор, установленные на корпусе, рефлектор электрически связан с корпусом, а излучающий элемент расположен вертикально вверху корпуса, причем излучающим элементом служит штатная антенна портативной радиостанции - несимметричный вибратор. Рефлектор выполнен складным из проводящей полосы с шириной немного большей диаметра полотна несимметричного вибратора и разделенной на колена посредством фиксирующих шарниров. В сложенном положении рефлектор соответствует плоской форме верхней и тыльной сторон корпуса, а в разложенном положении его верхняя часть расположена вне корпуса параллельно на расстоянии от несимметричного вибратора с тыльной его стороны.
Под понятием излучающий элемент в настоящем изобретении понимается элемент антенны, способный функционировать как на прием радиочастотных сигналов, так и на их передачу согласно принципу взаимности.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- длина верхней части рефлектора в разложенном положении была выбрана совпадающей с высотой полотна несимметричного вибратора;
- был введен директор, расположенный за полотном несимметричного вибратора относительно рефлектора противоположно ему, который выполнен штыревым и складным, разделенным на колена посредством фиксирующих шарниров, причем в сложенном положении директор соответствует плоской форме верхней и передней сторон корпуса, а в разложенном положении его верхняя часть расположена параллельно на расстоянии от несимметричного вибратора;
- в разложенном положении по меньшей мере одно нижнее колено директора было выполнено плоским, диэлектрическим, электрически развязанным от корпуса.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются с помощью вариантов его выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.
Фиг. 1 схематично изображает заявленное устройство в сложенном положении (вид с тыльной стороны корпуса);
фиг. 2 - то же, что фиг. 1 (вид сбоку);
фиг. 3 - то же, что фиг. 2, в разложенном положении;
фиг. 4 - то же, что фиг. 3, с рефлектором и директором;
фиг. 5 - диаграмму направленности устройства согласно фиг. 4 в горизонтальной плоскости в диапазоне частот;
фиг. 6 - то же, что фиг. 5, в вертикальной плоскости.
Антенна (фиг. 1-3) содержит корпус 1 портативной радиостанции, излучающий элемент 2 и рефлектор 3, установленные на корпусе 1. Рефлектор 3 электрически связан с корпусом 1. Излучающий элемент 2 расположен вертикально вверху корпуса 1. Излучающим элементом 2 служит штатная антенна портативной радиостанции - несимметричный вибратор. Рефлектор 3 выполнен складным из проводящей полосы с шириной немного большей диаметра полотна несимметричного вибратора и разделенной на колена 4, соединенных посредством фиксирующих шарниров 5. В сложенном положении (фиг. 1, 2) рефлектор 3 соответствует плоской форме верхней и тыльной сторон корпуса 1. В разложенном положении (фиг. 3) верхняя часть рефлектора 3 расположена вне корпуса 1 параллельно на расстоянии от излучающего элемента 2 с тыльной его стороны.
Для дополнительного улучшения КНД и Ку длина верхней части рефлектора 3 в разложенном положении может быть выбрана совпадающей с высотой полотна несимметричного вибратора, как показано на фиг. 3.
Кроме того, может быть введен директор 6 (фиг. 4), расположенный за полотном несимметричного вибратора относительно рефлектора 3. Директор 6 выполнен штыревым и складным, разделенным на колена 4, 4а, соединенных посредством фиксирующих шарниров 5. В сложенном положении директор 6 соответствует плоской форме верхней и передней стороне корпуса (на фиг.4 не показано, выполнен аналогично фиг.1, 2). В разложенном положении его верхняя часть расположена параллельно на расстоянии от несимметричного вибратора.
В разложенном положении по меньшей мере одно нижнее колено 4а директора 6 может быть выполнено плоским, диэлектрическим, электрически развязанным от корпуса 1 (фиг. 4). Выполнение этого условия не является обязательным, поскольку свойства изменения формы диаграммы направленности и увеличения коэффициента усиления директора определяются его электрической длиной и расстоянием от активного излучающего элемента 2.
Работает антенна (фиг. 1-4) следующим образом.
Предлагаемая конструкция в базовом варианте (фиг. 1-3) представляет собой складной (для удобства пользования) рефлектор 3, который закрепляется на корпусе 1 портативной радиостанции. Рефлектор 3 выполнен в виде полоски из металла, расположенной на определенном расстоянии от полотна антенны, обеспечивающем заданную широкополосность устройства (фиг. 5, 6). В нижней части рефлектор 3 горизонтально отходит от верхнего торца корпуса 1 радиостанции и под прямым углом изгибается вверх. Ширина полоски выбирается немногим более диаметра полотна несимметричного вибратора, а высота совпадает с высотой антенны (в случае использования антенны АШ-136/520-П - 350 мм). Соотношение размеров полоски и расстояние от полотна несимметричного вибратора выбраны из условия оптимальности для работы отражателя в максимально широком диапазоне частот.
К базовому варианту возможно добавление директора 6 (малогабаритного штыревого директора, который также может быть складным), расположенного за полотном несимметричного вибратора относительно рефлектора 3 противоположно ему, т.е. с противоположной стороны от отражателя 3 (фиг. 4). Этим достигается еще больший коэффициент направленности, соответственно большее усиление и дальность радиосвязи (в более узком секторе).
Таким образом, устройство отличается от аналога тем, что рефлектор 3 и директор 6 (опционально) используются совместно со штатной антенной портативной радиостанции - несимметричным вибратором и корпусом 1 портативной радиостанции, образуя антенную систему с высоким КНД.
По сравнению с ближайшим аналогом заявленное устройство обеспечивает значительное улучшение КНД и Ку, для этого достаточно сравнить характеристики, представленные на фигурах 5, 6 к описанию заявки, и фигуры 4 и 5 US 20040032370.
Компьютерное моделирование конструкции показывает, что Ку антенны в базовом варианте в направлении максимального излучения увеличивается на 3 дБ (в 2 раза по мощности), а вариант с дополнением директором 6 позволяет получить добавочное усиление до 6 дБ (4 раза по мощности). В абсолютном выражении антенна с предлагаемым устройством имеет расчетное усиление до 8,5 дБи на частоте 475 МГц.
В качестве несимметричного вибратора портативной радиостанции используется штатная антенна любой действующей модели приемопередатчика. Например, в качестве несимметричного вибратора может быть использован электропроводящий стержень, или трубка, или гибкий трос.
Кроме того, устройство может работать в штатном режиме при сложенном отражателе 3 и директоре 6, что расширяет его функциональные возможности.
Наиболее успешно заявленная антенна для портативной радиостанции промышленно применима для связи между стационарными объектами или подвижными объектами, преимущественно передвижными радиостанциями, например, для управления беспилотными летательными аппаратами (БПЛА), роботами и другими приемопередающими аппаратами.