АНТЕННО-УСИЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Предлагаемое в качестве полезной модели техническое решение относится к конструкции спиральных антенн и используется в УКВ диапазоне в режиме бегущих волн с осевым излучением и диаграммой направленности вдоль спирали. Устройство может использоваться в навигационных системах, например, в составе персональных приемников спутниковых систем определения местоположения (в частности ГЛОНАСС, GPS).
Широко известны антенно-усилительные устройства (АУУ), состоящие из антенны спирального типа и малошумящего усилителя, в которых антенна содержит цилиндрический каркас, на поверхность которого нанесены антенные элементы. Например, GeoHelix-STM GPS Antenna (Specification, Version 1/July 03, разработчик Sarantel Ltd, GB).
Известен навигационный терминал связи (патент РФ №47604, Велеславов Д.А., опубл. 2005.08.27), предназначенный для приема и обработки радиосигналов от навигационных спутников GPS, в котором АУУ состоит из спиральной GPS-антенны и малошумящего усилителя. При этом конструкция антенны представляет собой цилиндрический каркас из диэлектрика, на поверхность которого нанесен хотя бы один антенный элемент (металлический проводник) так, что в сборе боковая поверхность антенны является ровной. Такой результат достигается различными способами. Например, нанесением антенного элемента напылением, укладыванием его спирально на поверхность цилиндра в виде плоской тонкой ленты, заполнением канавок на поверхности цилиндра антенным элементом с последующим шлифованием (поперечные сечения канавок и антенных элементов совпадают) и т.п.. Таким образом, изготовление АУУ является достаточно трудоемким и сложным, что обуславливает высокую стоимость изделий.
Целью предлагаемого в качестве полезной модели технического решения является создание антенно-усилительного устройства, простого и технологичного в изготовлении, с совокупностью рабочих характеристик (в частности, коэффициент направленного действия - КНД антенны, коэффициент стоячей волны - КСВ антенны, ширина диаграммы направленности, сопротивление согласования), обеспечивающих качественное функционирование и надежность эксплуатации устройства.
Цель достигается тем, что в антенно-усилительном устройстве, содержащем антенну, включающую выполненный в виде усеченного конуса диэлектрический каркас и хотя бы один антенный элемент, уложенный в соответствующую ему витую канавку на боковой поверхности каркаса, а также закрепленное на каркасе антенны усилительное устройство (УУ). УУ выполнено в виде экранированной платы, содержащей элементы электрической схемы, соединенной с антенным элементом. По периметру платы расположены полукруглые контактная площадка входа/выхода и соединительные контактные площадки.
Предпочтительно, чтобы при толщине экранированной платы УУ от 0,8 до 0,9 мм контактные площадки были выполнены шириной от 1 до 1,6 мм.
Предпочтительно, чтобы витая канавка каркаса антенны относительно поперечного сечения частично заполнена антенным элементом.
Далее состав и работа АУУ будут описаны в предпочтительном варианте на примере АУУ с однозаходной спиральной антенной.
На Фиг. приведен чертеж антенно-усилительного устройства в сборе в предпочтительном варианте.
Антенно-усилительное устройство (АУУ), изображенное на Фиг., содержит антенну 1, закрепленную на усилительном устройстве (УУ) 2. Антенна содержит каркас 3, выполненный единой деталью в виде усеченного конуса с витой канавкой 4 на боковой поверхности, опирающегося на цилиндрическое основание с продольным пазом и сквозным отверстием для вывода антенного элемента 5 из проводящего материала (например, проволоки) на боковую поверхность конуса. Конусная часть каркаса закрыта защитным колпачком 6. Паз основания служит для закрепления УУ, содержащего плату 7 с установленными элементами электрической схемы 8 (в частности, первым и вторым усилителем, фильтром) и экраном 9. На этой экранированной плате выполнена контактная площадка для антенного элемента 10, являющаяся входом УУ. По краям платы выполнены контактная площадка входа/выхода 11, являющаяся входом/выходом УУ, для вывода/ввода высокочастотного (ВЧ) сигнала и подачи питающего напряжения на элементы схемы, и соединительные контактные площадки 12 для заземления и соединения АУУ с устройством потребителя.
Выход антенны (один конец антенного элемента) соединен с входом УУ, подключенным к входу/выходу УУ через последовательно соединенные первый малошумящий усилитель (МШУ) - У1, фильтр и второй МШУ - У2. В качестве элементов электрической схемы используют широко известные элементы. Например, на микросхеме UPG2311 выполняют У1 и У2, а в качестве фильтра выбирают полосовой фильтр с необходимым диапазоном рабочих частот (для приема сигналов GPS, ГЛОНАСС - от 1573 МГц до 1610 МГц).
АУУ работает следующим образом. При поступлении питающего напряжения через вход/выход УУ на все элементы АУУ, требующие питания, устройство переходит в рабочее состояние. Радиосигнал, принятый спиральной антенной, поступает на усилитель У1, где происходит предварительное его усиление. Далее сигнал фильтруют с помощью полосового фильтра и усиливают усилителем У2 до необходимого уровня (для дальнейшей обработки в устройстве потребителя).
Сборка АУУ осуществляется следующим образом.
Изготавливают каркас антенны из диэлектрического материала (например, из фторопласта) и плату (в частности, многослойную прямоугольной формы размерами 13±0,5 на 24±0,5 мм, из материала FR-4 толщиной от 0,8 до 0,9 мм) с контактными площадками 10, 11, 12 и отверстиями для элементов схемы. Полукруглые контактные площадки 11 и 12 расположены по краям платы в виде вырезов шириной от 1 до 1,6 мм. Размер контактной площадки входа/выхода 11 позволяет достичь согласования с выходом усилителя У2 (для данной толщины печатной платы) и качественного монтажа МШУ (например, пайкой) к устройству потребителя. Контактные площадки 12 выполняют того же размера, что и предыдущую, и располагают на противоположных сторонах платы для повышения технологичности изготовления платы и удобства соединения с устройством потребителя. Выполняют монтаж платы, устанавливая и запаивая элементы электрической схемы в центральной части платы. На внутреннюю контактную площадку для антенного элемента 10 запаивают один конец (выход) антенного элемента, продевают другой его конец в отверстие на основании, выходящее к началу витой канавки каркаса, полукруглой в поперечном сечении. Вытягивая антенный элемент, вставляют в паз основания плату УУ. Плотно навивают антенный элемент по канавке каркаса, витки которой образуют коническую спираль с некоторым углом наклона относительно оси каркаса, получая спиральную антенну. Антенный элемент, круглый в поперечном сечении, меньшего диаметра, чем ширина полукруглой витой канавки, частично заполняет последнюю относительно ее поперечного сечения. Далее фиксируют плату относительно каркаса, например, винтовым соединением. Устанавливают и закрепляют экран на центральной части платы для защиты от внешних воздействий и отвода тепла от элементов схемы. Одевают и фиксируют известными способами колпачок на конусной части каркаса, защищая антенный элемент.
Таким образом, для изготовления АУУ используют простые материалы и детали, а сборка антенны сводится к укладыванию антенного элемента в канавку каркаса, не требует дополнительной дальнейшей обработки.
При этом в заданных габаритных параметрах - максимальный (от 8 до 9 мм) и минимальный (от 2,5 до 3 мм) диаметры конуса каркаса, угле конусности 10° - вычислены следующие рабочие параметры антенны: коэффициент направленности равен 9,5 Дб, КНД равен 9, ширина диаграммы направленности по половинной мощности 60°, волновое сопротивление 137,3 Ом. Испытания АУУ с такой антенной в составе навигационного приемника подтвердили найденные рабочие характеристики устройства и показали, что КСВ антенны меньше 1,7. Совокупность перечисленных параметров обеспечивает высокое качество и стабильность работы АУУ при малых габаритах антенны.
Многозаходные антенны (с большим количеством антенных элементов, расположенных однонаправленно) изготавливают аналогично на каркасе с несколькими витыми канавками. Достоинством таких АУУ с такими антеннами является расширение диаграммы направленности, больший диапазон частот, функционируют они более устойчиво. Чем больше заходов в антенне, тем легче ее согласование.
Надо заметить, что каркас антенны может иметь отличную от описанной выше форму. Например, при выполнении каркаса в виде цилиндра для обеспечения качественного функционирования антенны, потребуется увеличение габаритов антенны.
Конструкция предлагаемого устройства позволяет сократить время и стоимость изготовления спиральной антенны, а также время сборки и регулирования АУУ в целом.