АНТЕННЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ПРИЕМА СИГНАЛОВ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ Российский патент 2003 года по МПК H01Q1/42 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при конструировании устройств, осуществляющих прием из эфира сигналов спутниковых систем, например сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС, GPS, WAAS, EGNOS и др., и передачу принятых сигналов по высокочастотному фидерному тракту удаленному потребителю для обработки и выделения информации.

Заявляемое изобретение предназначено для применения в аппаратуре потребителей сигналов спутниковых систем традиционного модульного построения [1, с. 185], для которой характерно, что элементы, осуществляющие прием, предварительную фильтрацию и начальное усилие сигналов спутниковых систем, сосредоточены в рамках одной конструкции (антенный модуль), а элементы, осуществляющие последующую обработку сигналов и выделение из них информации, сосредоточены в рамках другой конструкции (модуль обработки), при этом обе конструкции (модули) связаны друг с другом высокочастотным фидерным трактом. Такой модульный принцип построения аппаратуры позволяет комбинировать различные модификации антенных модулей и модулей обработки исходя из особенностей решения конкретных задач. При необходимости передачи высокочастотных сигналов по протяженному фидерному тракту в антенных модулях устанавливаются соответствующие усилители. Примером протяженного фидерного тракта является фидерный тракт, соединяющий антенный модуль, размещенный на крыше высотного здания или иного сооружения, с модулем обработки, размещенным в одном из нижних этажей этого же здания или другом здании. Подобное размещение применяется, в частности, при приеме сигналов СРНС ГЛОНАСС и/или GPS базовыми станциями сети сотовой радиосвязи в целях получения сигналов точного времени и сигналов синхронизации.

Известны конструкции антенных модулей для приема сигналов спутниковых систем, реализующие ненаправленный прием сигналов из верхней полусферы и предназначенные для эксплуатации в условиях воздействия неблагоприятных атмосферных факторов, в связи с чем они оснащены соответствующими обтекателями, см. , например, [2], [3], [4], [5]. Обтекатель выполняется из диэлектрического радиопрозрачного материала и служит для защиты от атмосферных воздействий. Типичная форма обтекателя - куполообразная, например как показано в [6] . Под обтекателем размещаются элементы, формирующие диаграмму направленности антенны, а также необходимые элементы электрической схемы. Обтекатель располагается на основании. Основание выполняется из токопроводящего материала и служит экранирующей подстилающей поверхностью для элементов, формирующих диаграмму направленности антенны. Кроме этого, основание используется для закрепления антенного модуля на несущей опоре или платформе.

Среди антенных модулей для приема сигналов спутниковых систем известны также антенные модули, в которых осуществляется усиление и предварительная обработка принятых сигналов без преобразования их в цифровой вид, см., например, [7], [8], [9, блоки 1, 2], [10, блоки 11, 12].

Для всех рассмотренных антенных модулей (с усилением сигналов и без усиления сигналов) общим является наличие высокочастотного выхода, обеспечивающего возможность подключения высокочастотной фидерной линии, по которой осуществляется передача сигналов потребителю для их последующего преобразования и обработки.

В качестве прототипа заявляемого антенного модуля выбрана конструкция интегральной антенной системы [11], в которой осуществляется прием и усиление сигналов спутниковых систем без преобразования по частоте. Конструкция, представленная в [11] и принятая в качестве прототипа для заявляемого антенного модуля, содержит антенный блок, предназначенный для ненаправленного приема сигналов в верхней полусфере и их усиления. Антенный блок имеет основание, купол и размещенный на основании под куполом приемно-усилительный узел. Основание антенного блока, выполняющее функцию антенного экрана, выполнено из токопроводящего материала, а купол, выполняющий функцию антенного обтекателя, выполнен из диэлектрического радиопрозрачного материала. Приемно-усилительный узел представляет собой спиральную коническую антенну, связанную через согласующее устройство с усилительным устройством. Согласующее и усилительное устройства выполнены на соответствующих платах, размещенных внутри антенного блока между внутренним экраном и основанием антенного блока. Нефидерные концы плеч спиральной конической антенны присоединены к внутреннему экрану, а фидерные концы - к входам согласующего устройства. Принятые и усиленные антенным блоком сигналы отводятся потребителю по высокочастотному коаксиальному кабелю. Пример конструкции, представленный в [11], относится к приему и усилению сигналов спутниковой системы INMARSAT. В рамках этой же конструкции при соответствующем выборе параметров спиральной конической антенны, параметров согласующего и усилительного устройств может осуществлять прием и усиление сигналов спутниковых систем других частотных диапазонов, например сигналов СРНС ГЛОНАСС и GPS.

Конструкция антенного модуля, представленная в [11] и принятая в качестве прототипа для заявляемого антенного модуля, позволяет осуществлять эксплуатацию в условиях размещения на открытом воздухе при воздействии атмосферных осадков (снег, дождь, роса). Однако эксплуатационные возможности антенного модуля-прототипа ограничены. В частности, он не предназначен для размещения на крыше высотного здания или иного сооружения на металлической опорной стойке - ввиду отсутствия средств защиты от наведенного напряжения, индуцируемого разрядами молний. Общеизвестный путь по защите от такого наведенного (индуцированного) напряжения заключается в установке рядом громоотвода, например, как рекомендовано в [12]. Однако установка громоотвода не всегда возможна, а кроме этого недостаточно эффективна. Дело в том, что обычная металлическая опорная стойка, как правило, имеет электрическую связь с токопроводящими элементами несущей конструкции, по которым в результате разрядов молний (даже при наличии громоотвода) протекают токи, способные через опорную стойку навести напряжение, уровень которого может оказаться выше допустимого для слаботочного активного элемента (усилителя) электрической схемы антенного модуля.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка конструкции, обеспечивающей возможность указанного высотного размещения антенного модуля в условиях применения в нем опорной стойки - металлической трубчатой опоры, которая может иметь электрическую связь с токопроводящими элементами несущей конструкции (несущей платформы). Задача решается за счет предложенных конструктивных мер по изолированию токопроводящих элементов "земляной" цепи антенного блока от металлической трубчатой опоры, обеспечивающих возможность работы в условиях наводок на нее импульсов напряжения, индуцируемых разрядами молний. Задача решается для условий, когда тип антенны, реализуемый антенным блоком, не является существенным.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в антенном модуле для приема сигналов спутниковых систем, содержащем антенный блок с основанием, куполом и размещенным на основании под куполом приемно-усилительным узлом, причем основание антенного блока, служащее антенным экраном, выполнено из токопроводящего материала, а купол, служащий обтекателем, выполнен из диэлектрического радиопрозрачного материала, в отличие от прототипа, антенный блок своим основанием размещен в чашеобразном углублении диэлектрической подставки, обеспечивающей электрическую изоляцию основания антенного блока от металлической трубчатой опоры, причем в чашеобразном углублении диэлектрической подставки в зоне, свободной от размещения антенного блока, выполнены отверстия для водостока, а металлическая трубчатая опора соединена своей верхней частью с выступом, выполненным в нижней части диэлектрической подставки, при этом в выступе выполнено сквозное отверстие для размещения закрепленного на основании антенного блока высокочастотного соединителя, предназначенного для отвода принятых и усиленных антенным блоком сигналов и подвода к нему напряжения питания от внешнего источника питания.

В вариантах реализации, имеющих практическое значение, металлическая трубчатая опора выполнена сборной из двух частей - верхней и нижней, где нижняя часть представляет собой цилиндрическую штангу, выполненную с возможностью вертикального закрепления на несущей платформе, а верхняя представляет собой цилиндрическую втулку, соединяемую с одной стороны с верхним концом штанги, а с другой стороны - с выступом, выполненным в нижней части диэлектрической подставки, при этом соединение втулки с верхним концом штанги осуществлено посредством цангового зажима, а соединение втулки с выступом диэлектрической подставки осуществлено посредством резьбового соединения, в котором втулка имеет наружную резьбу, а выступ - соответствующую ей внутреннюю резьбу.

Сущность заявляемого изобретения, его реализуемость и возможность осуществления поясняются чертежами, представленными на фиг.1-3, иллюстрирующими пример выполнения антенного модуля для случая работы с сигналами СРНС ГЛОНАСС и GPS.

На фиг.1 представлен схематический чертеж антенного модуля, общий вид;
на фиг. 2 - схематический чертеж антенного блока (2а - общий вид, 2б - фрагмент в увеличенном масштабе);
на фиг.3 - функциональная электрическая схема антенного модуля.

Заявляемый антенный модуль для приема сигналов спутниковых систем в рассматриваемом примере выполнения (фиг.1-3) содержит антенный блок 1 и металлическую трубчатую опору 2, посредством которой антенный блок 1 поднят над несущей платформой. Внутри антенного блока 1 размещен приемно-усилительный узел 3, осуществляющий ненаправленный прием сигналов СРНС GPS и ГЛОНАСС в верхней полусфере, их предварительную фильтрацию и усиление. Приемно-усилительный узел 3 размещен на основании 4 антенного блока 1 и закрыт сверху куполом 5, который в рассматриваемом примере навинчен на основание 4. Основание 4, служащее антенным экраном, выполнено из токопроводящего материала. Купол 5, служащий обтекателем, выполнен из диэлектрического радиопрозрачного материала. Герметизация антенного блока 1 обеспечивается, например, за счет герметика, проложенного в месте стыка торцевой поверхности купола 5 с основанием 4. В рассматриваемом примере приемно-усилительный узел 3 (см. фиг.2) содержит спиральную коническую антенну 6, навитую на диэлектрическую оправку 7, установленную на токопроводящей пластине 8, на противоположной стороне которой закреплена плата 9, несущая электрическую схему антенного блока 1. Токопроводящая пластина 8 закреплена на основании 4 с обеспечением электрического контакта с ним. С токопроводящей пластиной 8 электрически соединены нефидерные концы спиральной конической антенны 6. Для платы 9 в основании 4 выполнена соответствующая ниша 10.

В рассматриваемом примере электрическая схема антенного блока 1 (фиг.3) содержит последовательно соединенные микрополосковую согласующую схему 11, высокочастотный полосовой фильтр 12, усилитель 13 и развязывающий конденсатор 14, подключенный к внутреннему проводнику высокочастотного соединителя 15, закрепленному на основании 4, а также цепь питания усилителя 13, включающую последовательно соединенные Г-образные LC - фильтры нижних частот 16 и 17, выполняющие функции низкочастотных развязывающих фильтров. Цепь питания связывает внутренний проводник высокочастотного соединителя 15 с вводом питания усилителя 13. Наружный проводник высокочастотного соединителя 15 имеет электрический контакт с основанием 4 и входит в общую "земляную" цепь электрической схемы антенного блока 1. Микрополосковая согласующая схема 11 служит для объединения сигналов, поступающих с фидерных концов спиральной конической антенны 6. Высокочастотный полосовой фильтр 12 формирует полосу пропускания, соответствующую суммарной полосе частот сигналов СРНС ГЛОНАСС и GPS, он может быть выполнен, например, на керамических объемных резонаторах. Усилитель 13 осуществляет требуемое усиление принимаемых сигналов, он может быть выполнен, например, на микросхеме типа "МААМ 12021 M/C-Com". Развязывающий конденсатор 14 обеспечивает высокочастотную развязку сигнального выхода усилителя 13 от цепи питания. Высокочастотный соединитель 15 предназначен для отвода принятых и усиленных антенным блоком 1 сигналов и подвода к нему внешнего напряжения питания.

Рассмотренный пример выполнения антенного блока 1 и его приемно-усилительного узла 3 относится к конкретному случаю реализации в антенном блоке 1 спиральной конической антенны. В общем случае для решения поставленной задачи тип антенны, реализуемой в антенном блоке 1, не является существенным. В зависимости от конкретных требований, предъявляемым к характеристикам антенного блока 1, в нем могут быть реализованы и иные типы антенн, например микрополосковые антенны, аналогичные антеннам [2], [13].

Антенный блок 1 своим основанием 4 размещен в чашеобразном углублении 18 диэлектрической подставки 19, где закреплен с помощью винтов 20 и гаек 21, при этом высокочастотный соединитель 15, закрепленный на основании 4, проходит через соответствующее отверстие 22 в диэлектрической подставке 19. Для исключения проникновения влаги в отверстие 22 по стыку основания 4 с поверхностью чашеобразного углубления 18 между ними (в соответствующем пазу чашеобразного углубления 18) помещена упругая кольцевая прокладка 23. Кроме этого, в чашеобразном углублении 18 в зоне, свободной от размещения антенного блока 1, выполнены отверстия 24 для водостока. В нижней части диэлектрической подставки 19 выполнен выступ 25, служащий для соединения с верхней частью металлической трубчатой опоры 2, на которой антенный блок 1 поднят. Через выступ 25 проходит указанное отверстие 22 для высокочастотного соединителя 15. Такое конструктивное решение обеспечивает электрическую изоляцию основания 4 антенного блока 1 от металлической трубчатой опоры 2, препятствует возникновению коронного разряда между металлической трубчатой опорой 2 и основанием 4 в случае наведения на опору 2 напряжения высокого уровня, индуцированного разрядами молний, обеспечивает возможность работы в условиях воздействия атмосферных осадков.

В рассматриваемом примере металлическая трубчатая опора 2 (см. фиг.1) выполнена сборной из двух частей - нижней и верхней. Нижняя часть представляет собой цилиндрическую штангу 26, выполненную с возможностью вертикального закрепления на несущей платформе. Верхняя часть представляет собой цилиндрическую втулку 27, соединяемую, с одной стороны, с верхним концом штанги 26, а с другой стороны - с выступом 25 диэлектрической подставки 19. Внутренний профиль втулки 27 выполнен так, чтобы верхний конец штанги 26 входил во втулку 27 плотно и на определенную глубину. В рассматриваемом примере соединение втулки 27 с выступом 25 диэлектрической подставки 19 осуществлено посредством резьбового соединения 28, в котором втулка 27 имеет наружную резьбу, а выступ 25 - соответствующую ей внутреннюю резьбу. Соединение втулки 27 с верхним концом штанги 26 осуществлено посредством цангового зажима. Цанговый зажим образован за счет выполнения в нижней части втулки 27 продольных разрезов 29 и установки стягивающего хомута 30 (резьбового или червячного). Для обеспечения возможности вертикального закрепления штанги 26 на несущей платформе (например, на крыше здания) в ее нижней части выполнен опорный фланец 31 с соответствующими крепежными отверстиями 32. Также, в нижнем конце штанги 26 выполнено боковое отверстие 33 для вывода высокочастотного коаксиального кабеля 34, посредством которого обеспечивается связь антенного модуля с внешней аппаратурой, в состав которой наряду с устройствами для обработки сигналов входит внешний источник питания для антенного блока 1. Высокочастотный коаксиальный кабель 34 прокладывается внутри металлической трубчатой опоры 2 и подключается к высокочастотному соединителю 15 посредством соответствующего высокочастотного соединителя 35. Внутренние размеры металлической трубчатой опоры 2 выполнены такими, что внешние проводники высокочастотных соединителей 15, 35 не имеют с ней электрического контакта.

Рассмотренные конструктивные меры направлены на изолирование токопроводящих элементов "земляной" цепи антенного блока 1 (основания 4 и наружного проводника высокочастотного соединителя 15) от металлической трубчатой опоры 2, что обеспечивает возможность работы в условиях наводок на металлическую трубчатую опору 2 импульсов напряжения, индуцируемых разрядами молний. В практических образцах заявляемого антенного модуля допустимый уровень амплитуды импульсов наведенного напряжения между металлической трубчатой опорой 2 и основанием 4 антенного блока 1 составляет не менее 1÷2 кВ при частоте импульсов в диапазоне от 0 до 10 Гц.

Сборка заявляемого антенного модуля и его подключение к внешней аппаратуре осуществляется следующим образом. На несущей платформе (например, на крыше здания) посредством опорного фланца 31 закрепляется нижняя часть металлической трубчатой опоры 2 - штанга 26. Внутри штанги 26 пропускается высокочастотный коаксиальный кабель 34, второй конец которого выходит из штанги 26 либо вертикально вниз, либо через боковое отверстие 33, как показано на фиг. 1. Второй конец кабеля 34 посредством соответствующего высокочастотного соединителя подключается к внешней аппаратуре. Первый конец кабеля 34, оснащенный высокочастотным соединителем 35 и предназначенный для подключения к высокочастотному соединителю 15, выходит из верхнего конца штанги 26. В чашеобразном углублении 18 диэлектрической подставки 19 в соответствующей кольцевой выборке размещается упругая кольцевая прокладка 23. На эту прокладку устанавливается предварительно собранный антенный блок 1 так, что его высокочастотный соединитель 15 выходит через отверстие 22 в выступе 25. После этого антенный блок 1 закрепляется в чашеобразном углублении 18 диэлектрической подставки 19 посредством винтов 20 и гаек 21. К высокочастотному соединителю 15 посредством высокочастотного соединителя 35 пристыковывается высокочастотный коаксиальный кабель 34. Затем на выступ 25 диэлектрической подставки 19 навинчивается верхняя часть металлической трубчатой опоры 2 - втулка 27. После этого вся собранная таким образом конструкция опускается на верхний конец штанги 26. При этом верхний конец штанги 26 входит плотно внутрь втулки 27, а высокочастотные соединители 15, 35 и высокочастотный коаксиальный кабель 34 опускаются внутрь штанги 26. Провисший конец кабеля 34 вытягивается из штанги 26. Затягивается стягивающий хомут 30 цангового зажима.

Работа антенного модуля при приеме сигналов СРНС GPS и ГЛОНАСС осуществляется следующим образом. В рабочем режиме по высокочастотному коаксиальному кабелю 34 от внешнего источника питания на высокочастотный соединитель 15 антенного блока 1 подается внешнее напряжение питания U_п, например U_п=3,5 В. Это напряжение питания поступает через последовательно соединенные низкочастотные развязывающие фильтры 16, 17 на ввод питания усилителя 13. С фидерных концов спиральной конической антенны 6 принимаемые сигналы поступают на микрополосковую согласующую схему 11, где суммируются, после чего через высокочастотный полосовой фильтр 12 поступают в усилитель 13. Усиленные усилителем 13 сигналы через развязывающий конденсатор 14 поступают на выход усилительного модуля - на высокочастотный соединитель 15, откуда по высокочастотному кабелю 35 уходят к потребителю. Наличие развязывающего конденсатора 14 и низкочастотных развязывающих фильтров 16, 17 обеспечивает при этом возможность передачи по одному высокочастотному коаксиальному кабелю 34 высокочастотных сигналов и напряжения питания для усилителя 13.

Рассмотренный прием сигналов можно осуществлять в условиях воздействия неблагоприятных атмосферных факторов, например во время грозы. При этом не возникает перенапряжения в усилителе 13, поскольку рассмотренные конструктивные меры обеспечивают надежное изолирование токопроводящих элементов "земляной" цепи антенного блока 1 от металлической трубчатой опоры 2, на которой во время грозы могут наводиться импульсы напряжения, индуцируемые разрядами молний.

Таким образом, рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение технически осуществимо, промышленно реализуемо и решает поставленную задачу по разработке конструкции, обеспечивающей возможность высотного размещения антенного модуля в условиях применения в нем металлической трубчатой опоры, которая может иметь электрическую связь с токопроводящими элементами несущей платформы, с обеспечением работоспособности в условиях воздействия неблагоприятных атмосферных факторов, в том числе во время грозы.

Источники информации
1. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. Под ред. В.Н. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина. М., ИПРЖР, 1998.

2. RU 2067341 (C1), H 01 Q 1/38, 9/04, опубл. 27.09.1996.

3. ЕР 0465658 (A1), H 01 Q 11/08, опубл. 15.01.1992.

4. US 4878062 (A), H 01 Q 1/42, 21/26, опубл. 31.10.1989.

5. US 6016128 (A), H 01 Q 11/12, 7/00, 1/42, опубл. 18.01.2000.

6. GPS World Showcase, August, 1999, р. 40, 41, circle 175, 179.

7. US 5272485 (A), H 01 Q 23/00, 1/38, опубл. 21.12.1993.

8. ЕР 0346125 (А2), H 01 Q 1/24, опубл. 13.12.1989.

9. US 5402441 (A), G 01 S 5/02, опубл. 28.03.1995.

10. US 5293170 (A), H 04 B 7/185, G 01 S 5/02, H 03 D 3/18, опубл. 08.03.1994.

11. US 6011524 (A), H 01 Q 1/36, 11/08, опубл. 04.01.2000.

12. Oncore Users Guide, Motorola, TRM0003, Revision 3.2, June, 1998, p. 5.11, fig 5.4.

13. US 5323168 (A), H 01 Q 1/38, опубл. 21.06.1994.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при конструировании устройств, осуществляющих прием из эфира сигналов спутниковых систем и их передачу удаленному потребителю. Техническим результатом является обеспечение работоспособности в условиях воздействия неблагоприятных атмосферных факторов, в том числе во время грозы. Антенный модуль содержит антенный блок с токопроводящим основанием, диэлектрическим радиопрозрачным куполом и размещенным на основании под куполом приемно-усилительным узлом. Антенный блок размещен в чашеобразном углублении диэлектрической подставки, обеспечивающей электрическую изоляцию основания от металлической трубчатой опоры. Диэлектрическая подставка имеет отверстия для водостока и выступ для соединения с металлической трубчатой опорой. В выступе имеется сквозное отверстие для размещения закрепленного на основании первого высокочастотного соединителя, предназначенного для отвода принятых и усиленных антенным блоком сигналов и подвода к нему напряжения питания от внешнего источника питания. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Антенный модуль для приема сигналов спутниковых систем, содержащий антенный блок с основанием, куполом и размещенным на основании под куполом приемно-усилительным узлом, причем основание антенного блока, служащее антенным экраном, выполнено из токопроводящего материала, а купол, служащий обтекателем, выполнен из диэлектрического радиопрозрачного материала, отличающийся тем, что антенный блок своим основанием размещен в чашеобразном углублении диэлектрической подставки, обеспечивающей электрическую изоляцию основания антенного блока от металлической трубчатой опоры, причем в чашеобразном углублении диэлектрической подставки в зоне, свободной от размещения антенного блока, выполнены отверстия для водостока, а металлическая трубчатая опора соединена своей верхней частью с выступом, выполненным в нижней части диэлектрической подставки, при этом в выступе выполнено сквозное отверстие для размещения закрепленного на основании антенного блока высокочастотного соединителя, предназначенного для отвода принятых и усиленных антенным блоком сигналов, и подвода к нему напряжения питания от внешнего источника питания. 2. Антенный модуль по п. 1, отличающийся тем, что металлическая трубчатая опора выполнена сборной из двух частей - верхней и нижней, где нижняя часть представляет собой цилиндрическую штангу, выполненную с возможностью вертикального закрепления на несущей платформе, а верхняя - представляет собой цилиндрическую втулку, соединяемую, с одной стороны, с верхним концом этой штанги, а с другой стороны - с выступом, выполненным в нижней части диэлектрической подставки. 3. Антенный модуль по п. 2, отличающийся тем, что соединение цилиндрической втулки с верхним концом цилиндрической штанги осуществлено посредством цангового зажима. 4. Антенный модуль по п. 2, отличающийся тем, что соединение цилиндрической втулки с выступом диэлектрической подставки осуществлено посредством резьбового соединения, в котором втулка имеет наружную резьбу, а выступ - соответствующую ей внутреннюю резьбу.