"Клеверная" антенна круговой поляризации с емкостными квазишунтами

Полезная модель относится к радиотехнике и может преимущественно использоваться для установки на подвижных и стационарных объектах в качестве ненаправленных антенн круговой поляризации с повышенными характеристиками для средств телеуправления и телекоммуникаций, в том числе и для FPV систем. «Клеверная» антенна круговой поляризации с емкостными квазишунтами может быть использована на радиолиниях со сложной электромагнитной обстановкой, в том числе в диапазоне ISM.
Известна ненаправленная антенна круговой поляризации квазишунтовой «клевер» (Пат. РФ №166256, опубл. 20.11.2016), содержащая четыре изогнутых вибратора, имеющих линейные начальные четвертьволновые участки, дуговые участки расположенные перпендикулярно попарно во взаимно ортогональных плоскостях, соизмеримые по длине с полуволной, расположенные в наклонных плоскостях и линейные конечные четвертьволновые участки, сходящиеся к общей точке. Точки перехода дуг к конечным линейным участкам дополнительно попарно соединены крест на крест расположенными в плоскостях начальных четвертьволновых линейных участков соединительными проводниками, подобно шунтирующим проводникам, «квазишунтам», коммутирующимися между собой в точке их пересечения, расположенной на оси пересечения плоскостей.
К недостаткам «клеверных антенн», в том числе антенны-прототипа, можно отнести зависимость электрических характеристик прикладных устройств при отклонении от расчетных их размеров и сложность настройки конкретных прикладных образцов, так как они представляют собой ажурную конструкцию с наглухо замкнутыми проводниковыми элементами. Дополнительно к этому, плечи таких антенн представляют собой одновитковые контуры, что при некорректном изготовлении законченных проводников и их положении в пространстве может приводить к входному импедансу антенны с реактивной составляющей в виде индуктивности.
Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков прототипа и создание надежной и более технологичной в настройке антенны при производстве и эксплуатации.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является расширение диапазона использования ненаправленной антенны круговой поляризации за счет настройки электрических параметров путем возможности без разрушительного регулирования емкостной составляющей квазишунта для согласования антенного устройства с питающим кабелем и тем самым повышением КПД радиосистем. Дополнительным техническим результатом является возможность подстройки уже используемых квазишунтовых «клеверных» антенн в процессе использования, при снижении заданных характеристик, особенно на мобильных носителях в связи с эксплуатационными деформациями.
Техническое решение обеспечивается тем, что антенна круговой поляризации содержит четыре изогнутых вибратора, имеющих линейные начальные четвертьволновые участки, расположенные перпендикулярно попарно во взаимно ортогональных плоскостях, исходящие из одной общей точки, являющейся первой клеммой питания, расположенной на линии пересечения плоскостей. Дуговые участки, отходящие продолжением от линейных участков, соизмеримые по длине с полуволной, расположенные в наклонных плоскостях. Линейные конечные четвертьволновые участки, отходящие продолжением от дуговых участков, сходящиеся к общей точке, расположенной на линии пересечения плоскостей, являющейся второй клеммой питания. Соединительные проводники от точек перехода дуг к конечным линейным участкам, попарно соединенные крест на крест, коммутирующиеся между собой в точке их пересечения, расположенной на оси пересечения плоскостей, соединенной проводником со второй клеммой питания. Соединительные проводники от точек перехода дуг к конечным линейным участкам, попарно соединенные крест на крест и коммутирующиеся между собой в точке их пересечения, расположенной на оси пересечения плоскостей, выполненные многожильными. Они разнесены между собой в пространстве на участке между осью пересечения плоскостей и точками перехода дуг к конечным линейным участкам, с возможностью регулирования расстояния между ними и с соединением не менее одной жилы в начальной точке продолжения от дуговых участков, при соединении всех жил между собой в точке их пересечения.
В версии скелетной прикладной конструкции соединительные проводники от точек перехода дуг к конечным линейным участкам, попарно соединенные крест на крест и коммутирующиеся между собой в точке их пересечения, расположенной на оси пересечения плоскостей, выполнены двужильными. Они разнесены между собой в горизонтальной плоскости на участке между осью пересечения плоскостей и точками перехода дуг к конечным линейным участкам, с соединением обеих жил между собой в начальной точке продолжения от дуговых участков. Регулирование емкости производится путем изменения расстояния между ними.
В версии печатной прикладной конструкции соединительные проводники от точек перехода дуг к конечным линейным участкам, попарно соединенные крест на крест и коммутирующиеся между собой в точке их пересечения, расположенной на оси пересечения плоскостей, выполнены двужильными/двумя дорожками на плате. Они разнесены между собой в вертикальной плоскости на участке между осью пересечения плоскостей и точками перехода дуг к конечным линейным участкам, с соединением обеих жил между собой в начальной точке продолжения от дуговых участков, то есть в плоскости нахождения других элементов антенны. Регулирование емкости производится путем изменения расстояния между ними/заливкой припоем.
В версии, как при изготовлении, так и подстройки эксплуатируемых антенн, соединительные проводники от точек перехода дуг к конечным линейным участкам, попарно соединенные крест на крест и коммутирующиеся между собой в точке их пересечения, расположенной на оси пересечения плоскостей, выполнены многожильными. Они разнесены между собой в пространстве на участке между осью пересечения плоскостей и точками перехода дуг к конечным линейным участкам, с соединением не менее одной жилы в начальной точке продолжения от дуговых участков, при соединении всех жил между собой в точке их пересечения. При этом жилы, не соединенные в начальной точке продолжения от дуговых участков выполнены укороченными, то есть реализация осуществляется подсоединением к существующим «квазишунтам», в точке их пересечения, а регулировка укорачиванием/удлинением проводников без образования токопроводящих цепей.
Благодаря перечисленной совокупности существенных признаков обеспечивается унификация конструкций«клеверных» антенн круговой поляризации с упрощением технологий настройки антенн за счет предложенного технического решения с возможностями применения элементов как скелетного, так и печатного монтажа.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют в известных источниках информации, что указывает на соответствие заявленного технического решения условию патентоспособности "новизна".
Сочетание отличительных признаков и свойств как в заявленном устройстве из технической, научной литературы и патентной документации не выявлено, поэтому оно соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
Промышленная применимость заявленного технического решения усматривается в предельной технологичности и простоте изготовления, в облегченных, тиражировании и эксплуатации, возможностях применения к классическим «клеверным» антеннам и использования на промышленной основе при конкурентоспособном уровне.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-4.
На фиг. 1 показан эскиз «клеверной» антенны круговой поляризации с емкостными двужильными квазишунтами, разнесенными на расстояние проводников расположенных в горизонтальной плоскости, на фиг. 2 - эскиз «клеверной» антенны круговой поляризации с емкостными двужильными квазишунтами, разнесенными на расстояние проводников расположенных в вертикальной плоскости, на фиг. 3 - эскиз «клеверной» антенны круговой поляризации с емкостными многожильными квазишунтами, разнесенными на расстояние укороченных проводников расположенных в пространстве вокруг точки пересечения квазишунтов, на фиг. 4 - диаграммы направленности «клеверных» антенн круговой поляризации с емкостными квазишунтами в горизонтальной и вертикальной плоскости с основными параметрами.
«Клеверная» антенна круговой поляризации с емкостными квазишунтами (фиг. 1) содержит четыре изогнутых вибратора 1. Они имеют линейные начальные четвертьволновые участки 2, расположенные перпендикулярно попарно во взаимно ортогональных плоскостях 3,4, исходящих из одной общей точки 5, являющейся первой клеммой питания а, расположенной на линии пересечения плоскостей 6. Отходящие продолжением от линейных участков 2, соизмеримые по длине с полуволной дуговые участки 7, расположенные в наклонных плоскостях. Отходящие продолжением от дуговых участков 7, линейные конечные четвертьволновые участки 8, сходящиеся к общей точке 9, являющейся второй клеммой питания b, расположенной на линии пересечения плоскостей 6. Соединительные проводники 11, 11.1, 11.2 от точек 10 перехода дуг 7 к конечным линейным участкам 8, попарно соединенные крест на крест выполнены многожильными 11.1, 11.2…, коммутирующиеся между собой в точке их пересечения 12, расположенной на оси пересечения плоскостей 6 (фиг. 2). Эта точка 12 соединена проводником 13 со второй клеммой питания b. Соединительные проводники 11.1, 11.2 от точек 10 перехода дуг 7 к конечным линейным участкам 8, попарно соединенные крест на крест и коммутирующиеся между собой в точке 12 их пересечения, расположенной на оси пересечения плоскостей 6. Они разнесены между собой в пространстве на участке между осью пересечения плоскостей 6 и точками 10 перехода дуг 7 к конечным линейным участкам 8 и могут быть с соединением всех жил в начальной точке 10 продолжения от дуговых участков 7 и при соединении всех жил между собой в точке 12 их пересечения.
В версии скелетной (с возможностью печатной) прикладной конструкции (фиг. 1) соединительные проводники 11.1, 11.2 от точек 10 перехода дуг 7 к конечным линейным участкам 8, попарно соединенные крест на крест и коммутирующиеся между собой в районе точки 12, расположенной на оси 6 пересечения плоскостей 3, 4, выполнены двужильными 11.1 и 11.2. Они разнесены на расстояние d между собой в горизонтальной плоскости 14 на участке в районе пересечения плоскостей по оси 6 и точками 10 перехода дуг 7 к конечным линейным участкам 8, с соединением обеих жил между собой в начальной точке 10 продолжения от дуговых участков 7.
В версии прикладной (с возможностью скелетной) конструкции (фиг. 2) соединительные проводники 11.1, 11.2 от точек 10 перехода дуг 7 к конечным линейным участкам 8, попарно соединенные крест на крест и коммутирующиеся между собой в точках 12 их пересечения, расположенной на оси 6 пересечения плоскостей 3, 4, выполнены двужильными: - двумя дорожками 11.1 и 11.2 на твердой плате. Они разнесены на расстояние d между собой в вертикальных плоскостях 3, 4 на среднем участке по оси 6
пересечения плоскостей и точками 10 перехода дуг 7 к конечным линейным участкам 8, с соединением обеих жил между собой в начальной точке продолжения от дуговых участков 7 и соединением нижней точки 12 проводником 13 со второй клеммой питания b.
В версии, как при производстве, так и при подстройке эксплуатируемых антенн, соединительные проводники 11 от точек 10 перехода дуг 7 к конечным линейным участкам 8, попарно соединенные крест на крест и коммутирующиеся между собой в точке их пересечения 12, расположенной на оси 6 пересечения плоскостей 3, 4, выполнены многожильными (фиг. 3). Они могут быть разнесенными в пространстве на расстояния d, между собой в пространстве, на участке между осью 6 пересечения плоскостей 3, 4 и точками 10 перехода дуг 7 к конечным линейным участкам 8, с соединением не менее одной жилы 11 в начальной точке 10 продолжения от дуговых участков 7, при сведении и коммутации всех жил между собой в точке их пересечения 12, при этом жилы 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 (их число может быть увеличено), не соединенные в начальной точке 10 продолжения от дуговых участков 7, выполнены укороченными, с направлением вверх, как показано на фиг. 3, а могут быть с размещением вниз, внутри объемной конструкции.
«Клеверная» антенна круговой поляризации с емкостными квазишунтами работает следующим образом. В каждой паре изогнутых вибраторов 1, расположенных линейными начальными четвертьволновыми участками 2, расходящимися из одной точки питания 5, излучение отсутствует, но возбуждаются полуволновые дуговые участки 7, расположенные в пространстве на расстоянии полуволны от центра и линейные конечные участки 8, токи в последних текут синфазно от всех изогнутых вибраторов 1. Таким образом, при расположении плоскости каждого полуволнового дугового участка 7 под углом 45 градусов относительно линейного конечного участка 8 и сдвига фаз токов в них, в секторе каждого дугового участка излучается поле круговой поляризации. При этом относительно оси 6 пересечения плоскостей 3 и 4 плоскости расположения каждого полуволнового дугового участка 7 наклонены в одну сторону, то от центра антенны в верхнее полупространство радиально излучается поле односторонней круговой поляризации. Ввиду того, что токи во всех изогнутых вибраторах 1 равны, а в линейных конечных участках 8 и синфазны, то противоположные эквипотенциальные точки 10, перехода дуг 7 к конечным линейным участкам 8 попарно соединены равными по длине соединительными проводниками 11.2, 11.2, с коммутацией между собой в точке их пересечения 12, расположенной на оси 6 пересечения плоскостей 3 и 4. Образовались электрические «квазишунты» 11.1, 11.2, замыкающие точки 10 перехода противофазных токов вибраторов 1 в синфазные токи на участках 8, с их средней точкой 12, которая может быть соединена со второй, смежной клеммой питания b, как дублирующий провод 13 к четырем сходящимся проводникам 8. Квазишунты, подобно классическим шунтам, вносят изменения в импеданс. В свою очередь, многожильные квазишунты 11.1, 11.2…, с разнесенными в пространстве проводниками, являются емкостными элементами резонансной системы антенны с плечами-вибраторами 1, являющимися одновитковыми контурами со своими индуктивностями. Ввиду симметричной конструкции клеверных антенн емкостные элементы, как конструктивно, так и электрически есть необходимость вводить для коррекции параметров антенной системы также симметрично, что органически обеспечивается их размещением вокруг линии пересечения плоскостей 6, являющейся осью симметрии антенны, симметрично расположенных на участках электрических цепей контуров, являющихся вибраторами 1.
Компьютерная модель антенны круговой поляризации квазишунтовой «клевер» была проверена в ходе электронного моделирования в программе MMANA на частоту 300 МГц с перекрытием рабочего диапазона частот 200-400 МГц. Результаты компьютерного моделирования показаны на фиг. 4.
«Клеверная» антенна круговой поляризации с емкостными квазишунтами может быть выполнена печатным способом из четырех сведенных к осевой линии идентичных пластинчатых элементов, с нанесенными проводниковыми дорожками линейных начальных четвертьволновых участков 2, линейных конечных участков 8 и соединительных проводников 11.1, 11.2 с проводником 13 (фиг. 2). Полуволновые дуговые участки 7 могут быть выполнены, либо печатным образом проводниковыми дуговыми дорожками на четырех идентичных угловых пластинчатых элементах, либо навесным образом, соединяя проволочным проводником наискосок крайние точки дорожек печатных пластинчатых элементов соединительных проводников 11.1, 11.2 и проводников линейных начальных четвертьволновых участков 2. Дополнительно к этому, антенна может быть изготовлена и полностью скелетным навесным способом с устройством штампованного диэлектрического каркаса, на который крепятся проводники конструкции устройства и любым доступным образом.