АНТЕННЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ПРИЕМА СИГНАЛОВ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ И ЕГО УСИЛИТЕЛЬНЫЙ БЛОК Российский патент 2003 года по МПК H01Q23/00 

Заявляемая группа изобретений относится к радиотехнике и может быть использована 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 удаленному потребителю для обработки и выделения информации.

Заявляемые изобретения предназначены 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 применяются 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 в 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 осуществляться прием и усиление сигналов спутниковых систем других частотных диапазонов, например сигналов СРНС ГЛОНАСС и GPS.

В качестве прототипа заявляемого усилительного блока выбрано усилительное устройство, реализованное в интегральной антенной системе [11]. Усилительное устройство, описанное в [11] и принятое в качестве прототипа для заявляемого усилительного блока, представляет собой выполненную на плате электрическую схему, имеющую вход для подвода усиливаемых сигналов и выход для отвода усиленных сигналов. Вход и выход электрической схемы связаны между собой цепью передачи и усиления сигналов, образованной входным и выходным фильтрами и включенным между ними усилителем, выполненным на полевом транзисторе. К выходу электрической схемы подсоединяется коаксиальный кабель фидерной линии.

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 слаботочных активных элементов электрической схемы антенного модуля.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, является расширение эксплуатационных возможностей антенного модуля, а именно обеспечение возможности его эксплуатации на крыше высотного здания или иного сооружения в условиях применения в нем металлической опорной стойки (металлической трубчатой опоры), которая может иметь электрическую связь с токопроводящими элементами несущей конструкции (несущей платформы). Задача решается для случая, когда составляющие антенный модуль антенный и усилительный блоки оба осуществляют функции усиления принимаемых сигналов, при этом тип антенны, реализуемый антенным блоком, не является существенным. Задача решается для конкретного случая размещения усилительного блока внутри металлической трубчатой опоры. Задача решается за счет предложенного комплекса конструктивных и схемотехнических мер по защите антенного и усилительного блоков (активных элементов их электрических схем) от воздействия наведенного напряжения, обусловленного разрядами молний.

Сущность первого из заявляемых изобретений 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, при этом в чашеобразном углублении диэлектрической подставки в зоне, свободной от размещения антенного блока, выполнены отверстия для водостока, металлическая трубчатая опора соединена своей верхней частью с выступом, выполненным в нижней части диэлектрической подставки, а в выступе выполнено сквозное отверстие для размещения закрепленного на основании антенного блока первого высокочастотного соединителя, предназначенною для отвода принятых и усиленных антенным блоком сигналов и подвода к нему внутреннего напряжения питания антенного модуля, с антенным блоком соединен расположенный внутри металлической трубчатой опоры усилительный блок, предназначенный для дополнительного усиления сигналов посредством собственного усилителя, а также для формирования внутреннего напряжения питания антенного модуля для усилителей антенного и усилительного блоков посредством ограничителя-стабилизатора постоянного напряжения.

Усилительный блок имеет второй и третий высокочастотные соединители, расположенные на противоположных концах его токопроводящего корпуса, электрически изолированного от металлической трубчатой опоры, причем второй высокочастотный соединитель соединен с первым высокочастотным соединителем, а третий высокочастотный соединитель предназначен для подключения высокочастотного коаксиального кабеля, служащего для отвода принятых и усиленных антенным модулем сигналов и подвода внешнего напряжения питания от внешнего источника питания, при этом основание антенного блока, корпус усилительного блока и наружные проводники всех высокочастотных соединителей в рабочем режиме находятся под общим электрическим потенциалом Е₀ - потенциалом "Земля", внутренний проводник третьего высокочастотного соединителя в рабочем режиме находится под электрическим потенциалом E₁ - потенциалом "Питание внешнее", а внутренние проводники первого и второго высокочастотных соединителей в рабочем режиме находятся под электрическим потенциалом E₂ - потенциалом "Питание внутреннее", где E₁>Е₂>E₀, E₁-E₀=U_П, E₂-Е₀=U_cт, U_П - внешнее напряжение питания, поступающее от внешнего источника питания, U_ст=const - внутреннее напряжение питания антенного модуля, формируемое в усилительном блоке ограничителем-стабилизатором постоянного напряжения и предназначенное для питания усилителей антенного и усилительного блоков.

В вариантах реализации, имеющих практическое значение, электрическое изолирование корпуса усилительного блока от металлической трубчатой опоры осуществлено посредством размещенной на корпусе усилительного блока оболочки, выполненной в виде диэлектрического стакана, и воздушного промежутка между этой оболочкой и внутренней поверхностью металлической трубчатой опоры; 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 второго из заявляемых изобретений заключается в том, что в усилительном блоке, содержащем электрическую схему, вход и выход которой связаны между собой цепью передачи и усиления сигналов, образованной входным и выходным фильтрами и включенным между ними усилителем, в отличие от прототипа, выход и вход электрической схемы связаны между собой дополнительной цепью, служащей для формирования внутреннего напряжения питания для усилителя усилительного блока, а также для передачи этого напряжения на вход электрической схемы, дополнительная цепь образована подключенными к выходу и входу электрической схемы низкочастотными развязывающими фильтрами и включенным между ними ограничителем-стабилизатором постоянного напряжения, выполняющим функцию формирователя внутреннего напряжения питания, электрическая схема, включающая указанные цепи, размещена внутри замкнутого токопроводящего корпуса, образованного соединением выполненных из металла стакана цилиндрической формы и вставки, торцевые фланцы которой электрически контактируют со стаканом, при этом указанная вставка несет на себе конструктивные элементы электрической схемы и два высокочастотных соединителя, служащих для внешних подключений входа и выхода электрической схемы, причем высокочастотный соединитель, связанный с входом электрической схемы, предназначен для подвода усиливаемых сигналов и отвода внутреннего напряжения питания, а высокочастотный соединитель, связанный с выходом электрической схемы, предназначен для отвода усиленных сигналов и подвода внешнего напряжения питания для ограничителя-стабилизатора постоянного напряжения, указанные высокочастотные соединители расположены на противоположных концах вставки соосно ее продольной оси, при этом их корпуса выполнены за одно целое с соответствующими торцевыми фланцами вставки.

В вариантах реализации, имеющих практическое значение, в усилительном блоке образующие его корпус стакан цилиндрической формы и вставка соединены между собой посредством резьбового соединения, причем стакан имеет внутреннюю резьбу, а по меньшей мере один из торцевых фланцев вставки - ответную наружную резьбу, в качестве входного и выходного фильтров в цепи передачи и усиления сигналов применены полосовые фильтры, а в качестве низкочастотных развязывающих фильтров в дополнительной цепи применены Г-образные LC фильтры нижних частот.

Сущность заявляемых изобретений, их реализуемость и возможность осуществления поясняются чертежами, представленными на фиг.1-6, иллюстрирующими пример выполнения антенного модуля и его усилительного блока 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, включающая электрические схемы антенного и усилительного блоков;
на фиг.4 - схематический чертеж усилительного блока (4а - общий вид, 4б - продольный разрез в вертикальной плоскости, 4в - продольный разрез в горизонтальной плоскости);
на фиг.5 - схематический чертеж стакана корпуса усилительного блока (5а - продольный разрез, 5б - поперечный разрез);
на фиг.6 - схематический чертеж вставки корпуса усилительного блока (6а - общий вид, 6б - вид в разрезе).

Заявляемый антенный модуль для приема сигналов спутниковых систем (фиг. 1-6) содержит антенный блок 1, поднятый на металлической трубчатой опоре 2, и расположенный внутри этой опоры усилительный блок 3, непосредственно (без промежуточного кабеля) соединенный с антенным блоком 1. Антенный блок 1 служит для приема сигналов СРНС ГЛОНАСС и GPS и их начального усиления посредством соответствующего усилителя. Усилительный блок 3 служит для дополнительного усиления сигналов посредством собственного усилителя и формирования для обоих усилителей (антенного и усилительного блоков) внутреннего напряжения питания антенного модуля. Внутри антенного блока 1 (фиг.2) имеется приемно-усилительный узел 4, осуществляющий ненаправленный прием сигналов СРНС ГЛОНАСС и GPS в верхней полусфере, их предварительную фильтрацию и усиление. Приемно-усилительный узел 4 размещен на основании 5 антенного блока 1 и закрыт сверху куполом 6, который в рассматриваемом примере навинчен на основание 5. Основание 5, служащее антенным экраном, выполнено из токопроводящего материала. Купол 6, служащий обтекателем, выполнен из диэлектрического радиопрозрачного материала. Герметизация антенного блока 1 обеспечивается, например, за счет герметика, проложенного в месте стыка торцевой поверхности купола 6 с основанием 5.

В рассматриваемом примере приемно-усилительный узел 4 содержит спиральную коническую антенну 7, навитую на диэлектрическую оправку 8, установленную на токопроводящей пластине 9, на противоположной стороне которой закреплена плата 10, несущая электрическую схему антенного блока 1. Токопроводящая пластина 9 закреплена на основании 5 с обеспечением электрического контакта с ним. С токопроводящей пластиной 9 электрически соединены нефидерные концы спиральной конической антенны 7. Для платы 10 в основании 5 выполнена соответствующая ниша 11.

В рассматриваемом примере электрическая схема антенного блока 1 (см. фиг.3) содержит последовательно соединенные микрополосковую согласующую схему 12, высокочастотный полосовой фильтр 13, усилитель 14 и развязывающий конденсатор 15, подключенный к внутреннему проводнику первого высокочастотного соединителя 16, закрепленному на основании 5, а также цепь питания усилителя 14, включающую два последовательно соединенных Г-образных LC фильтра нижних частот 17, выполняющих функцию низкочастотных развязывающих фильтров. Цепь питания связывает внутренний проводник высокочастотного соединителя 16 с вводом питания усилителя 14. Наружный проводник высокочастотного соединителя 16 имеет электрический контакт с основанием 5 и входит в общую "земляную" цепь электрической схемы антенного блока 1. Микрополосковая согласующая схема 12 служит для объединения сигналов, поступающих с фидерных концов спиральной конической антенны 7. Высокочастотный полосовой фильтр 13 формирует полосу пропускания, соответствующую суммарной полосе частот сигналов СРНС ГЛОНАСС и GPS, он может быть выполнен, например, на керамических объемных резонаторах. Усилитель 14 осуществляет начальное усиление принимаемых сигналов, он может быть выполнен, например, на микросхеме типа "МААМ 12021 M/C-Com. ". Развязывающий конденсатор 15 обеспечивает высокочастотную развязку сигнального выхода усилителя 14 от цепи питания. Высокочастотный соединитель 16 предназначен для отвода принятых и усиленных антенным блоком 1 сигналов и подвода к нему (для усилителя 14) напряжения питания - внутреннего напряжения питания антенного модуля, формируемого в усилительном блоке 3.

Рассмотренный пример выполнения антенного блока 1 и его приемно-усилительного узла 4 относится к конкретному случаю реализации в антенном блоке 1 спиральной конической антенны. В общем случае тип антенны, реализуемой в антенном блоке 1, для решения поставленной задачи не является существенным. В зависимости от конкретных требований, предъявляемых 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 5 размещен в чашеобразном углублении 18 диэлектрической подставки 19, где закреплен с помощью винтов 20 и гаек 21, при этом первый высокочастотный соединитель 16, закрепленный на основании 5, проходит через соответствующее отверстие 22 в диэлектрической подставке 19. Для исключения проникновения влаги в отверстие 22 по стыку основания 5 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 16. Такое конструктивное решение обеспечивает электрическую изоляцию основания 5 антенного блока 1 от металлической трубчатой опоры 2, препятствует возникновению коронного разряда между металлической трубчатой опорой 2 и основанием 5 в случае наведения на опору 2 напряжения высокого уровня, индуцированного разрядами молний, обеспечивает возможность работы в условиях воздействия атмосферных осадков.

В рассматриваемом примере (фиг.1) металлическая трубчатая опора 2 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 через втулку 27 в процессе сборки антенного модуля свободно проходил усилительный блок 3, оснащенный соответствующим средством изоляции, а верхний конец штанги 26 входил во втулку 27 плотно и только 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 выполненных в нижней части втулки 27 продольных разрезов 29 и 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.

Усилительный блок 3, расположенный внутри металлической трубчатой опоры 2, имеет второй 35 и третий 36 высокочастотные соединители, расположенные на противоположных сторонах его токопроводящего корпуса 37 (фиг.1, 4). Токопроводящий корпус 37 электрически изолирован от металлической трубчатой опоры 2. В рассматриваемом примере это изолирование обеспечено посредством размещенной на корпусе 37 оболочки 38, выполненной в виде диэлектрического стакана, и воздушного промежутка 39 между этой оболочкой 38 и внутренней поверхностью металлической трубчатой опоры 2 (фиг.1).

Второй высокочастотный соединитель 35 состыкован с первым высокочастотным соединителем 16, обеспечивая тем самым непосредственную электрическую связь антенного блока 1 с усилительным блоком 3. За счет этой связи с антенного блока 1 на усилительный блок 3 отводятся (для дополнительного усиления) принятые и усиленные антенным блоком 1 сигналы, а с усилительного блока 3 к антенному блоку 1 подводится внутреннее напряжение питания (для усилителя 14). Третий высокочастотный соединитель 36 предназначен для подключения высокочастотного коаксиального кабеля 34, служащего для подвода внешнего напряжения питания от внешнего источника питания и отвода принятых и усиленных антенным модулем сигналов. Кабель 34 пристыковывается к высокочастотному соединителю 35 посредством соответствующего кабельного высокочастотного соединителя 40.

В рабочем режиме, когда на антенный модуль по высокочастотному коаксиальному кабелю 34 подается внешнее напряжение питания от внешнего источника питания, основание 5 антенного блока 1, корпус 37 усилительного блока 3 и наружные проводники высокочастотных соединителей 16, 35 и 36, входящие в общую "земляную" цепь электрической схемы антенного модуля, находятся под общим электрическим потенциалом E₀ - потенциалом "Земля", внутренний проводник высокочастотного соединителя 36 находится под электрическим потенциалом E₁ - потенциалом "Питание внешнее", а внутренние проводники соединенных между собой высокочастотных соединителей 16 и 35 находятся под электрическим потенциалом Е₂ - потенциалом "Питание внутреннее", где E₁>E₂>Е₀, E₁-Е₀=U_П, Е₂-Е₀= U_cт, U_П - внешнее напряжение питания, поступающее от внешнего источника питания, U_ст=const - внутреннее напряжение питания антенного модуля, формируемое в усилительном блоке 3 ограничителем-стабилизатором постоянного напряжения 41, предназначенное для питания усилителя 14 антенного блока 1 и усилителя 42 усилительного блока 3.

Пример выполнения цепей питания усилителей 14, 42 с использованием ограничителя-стабилизатора постоянного напряжения 41 представлен на фиг.3. Применение ограничителя-стабилизатора постоянного напряжения 41 в качестве формирователя внутреннего напряжения питания для усилителей 14, 42 позволяет осуществить их дополнительную защиту от перенапряжения, могущего возникнуть, например, в случае пробоя изоляции между металлической трубчатой опорой 2 и элементами "земляной" цепи антенного модуля при разрядах молний. Эта дополнительная "активная" защита осуществляется за счет поддержания на выходе ограничителя-стабилизатора постоянного напряжения 41 стабильного значения выходного напряжения U_ст при ограничении выходного тока на уровне, не превышающем допустимое значение I_д. Дополнительная "активная" защита, обеспечиваемая ограничителем-стабилизатором постоянного напряжения 41, образует в заявляемом антенном модуле второй уровень защиты, дополняющий первый ("пассивный") уровень защиты, реализуемый за счет рассмотренного выше изолирования металлической трубчатой опоры 2 от основания 5 антенного блока 1 и токопроводящего корпуса 37 усилительного блока 3.

В своей совокупности рассмотренный комплекс мер по "активной" и "пассивной" защите активных элементов антенного модуля - усилители 14, 42 антенного и усилительного блоков 1, 3 - предотвращает потерю их работоспособности в результате наводок, обусловленных разрядами молний. Тем самым обеспечивается возможность эксплуатации заявляемого антенного модуля в условиях размещения на крыше высотного здания или иного сооружения, где велика вероятность неблагоприятных воздействий, обусловленных разрядами молний.

Исследования практических образцов заявляемого антенного модуля показали, что его электрическая стойкость по отношению к наведенному напряжению, характеризуемая допустимым уровнем импульсного напряжения между металлической трубчатой опорой 2 и основанием 5 антенного блока 1 (или корпусом 37 усилительного блока 3), составляет не менее 1÷2 кВ при частоте импульсов в диапазоне от 0 до 10 Гц, что достаточно для рассматриваемых условий эксплуатации.

Описываемые ниже особенности выполнения усилительного блока 3, составляющие предмет второго изобретения, непосредственно связаны с решением поставленной задачи по обеспечению возможности эксплуатации антенного модуля на крыше высотного здания или иного сооружения в случае, когда составляющие антенный модуль антенный 1 и усилительный 3 блоки оба осуществляют функции усиления принимаемых сигналов, при этом усилительный блок 3 размещается внутри металлической опорной стойки 2, на которой антенный блок 1 поднят. Кроме рассматриваемого случая размещения внутри опорной стойки 2 заявляемый усилительный блок 3 может использоваться и вне ее, например, для дополнительного усиления сигналов на участках протяженного фидерного тракта.

Заявляемый усилительный блок 3 (фиг.1, 4, 5, 6) содержит замкнутый токопроводящий корпус 37 с высокочастотными соединителями 35 и 36, расположенными на его противоположных концах. Токопроводящий корпус 37 образован соединением выполненных из металла стакана 43 цилиндрической формы и вставки 44, торцевые фланцы 45 и 46 которой электрически контактируют со стаканом 43. В рассматриваемом примере стакан 43 и вставка 44 соединены между собой посредством резьбового соединения 47, а именно вставка 44 ввинчена внутрь стакана 43, для чего стакан 43 имеет внутреннюю резьбу, а торцевой фланец 46 вставки 44 - ответную ей наружную резьбу. В этом соединении торцевой фланец 46 взаимодействует с образующим дно стакана 43 кольцевым уступом 48 через упругую прокладку 49, герметизирующую место стыка. Торцевой фланец 45 взаимодействует с противоположной торцевой кромкой стакана 43, при этом для герметизации стыка используется упругая прокладка 50, размещенная в соответствующем пазу торцевой кромки стакана 43. Образованный таким образом замкнутый токопроводящий корпус 37 обеспечивает герметизацию и экранирование своего внутреннего пространства, предназначенного для размещения электрической схемы усилительного блока 3. Для повышения экранирующего эффекта образующие корпус 37 стакан 43 (фиг.5) и вставка 44 (фиг.6) выполнены монолитными и покрыты токопроводящим покрытием, например Хим. Н12. М.6.0-Ви (99,7)12.

Вставка 44 на своей продольной планке 51 несет платы 52 и 53 с элементами электрической схемы усилительного блока 3. На противоположных концах вставки 44 - на торцевых фланцах 45 и 46 - размещены высокочастотные соединители 35 и 36, служащие для внешних подключений соответственно входа и выхода электрической схемы усилительного блока 3. Высокочастотный соединитель 35, связанный с входом электрической схемы, предназначен для подвода к усилительному блоку 3 усиливаемых сигналов и отвода от него внутреннего напряжения питания U_ст. Высокочастотный соединитель 36, связанный с выходом электрической схемы, предназначен для отвода от усилительного блока 3 усиленных сигналов и подвода к нему внешнего напряжения питания U_П.

Высокочастотные соединители 35 и 36 расположены соосно продольной оси вставки 44, что определяется технологичностью изготовления (возможностью токарной обработки) и удобством подключений. Корпуса 54, 55 высокочастотных соединителей 35, 36 выполнены за одно целое с соответствующими торцевыми фланцами 45, 46 вставки 44 (фиг.6), что обеспечивает уменьшение переходного сопротивления. За исключением указанных корпусов 54 и 55 остальные конструктивные элементы высокочастотных соединителей 35 и 36 являются стандартными. Конкретное исполнение высокочастотных соединителей 35 и 36 (резьбовое, байонетное, вилка, розетка) и их присоединительные размеры выбираются исходя из обеспечения возможности осуществления внешних подключений. В рассматриваемом случае, когда усилительный блок 3 входит в состав усилительного модуля, присоединительные размеры его высокочастотных соединителей 35, 36 выбираются исходя из обеспечения возможности сочленения с высокочастотными соединителями 16, 40.

Внутренние проводники 56, 57 высокочастотных соединителей 35, 36 подключены к входу и выходу электрической схемы усилительного блока 3 (см. фиг. 3). Вход и выход электрической схемы усилительного блока 3 связаны между собой цепью 58 передачи и усиления сигналов - цепью "по переменному току", а выход и вход электрической схемы усилительного блока 3 связаны между собой дополнительной цепью 59 - цепью "по постоянному току". Наружные проводники высокочастотных соединителей 35 и 36 входят в общую "земляную" цепь электрической схемы усилительного блока 3.

Цепь 58 передачи и усиления сигналов (см. фиг.3) образована подключенными к входу и выходу электрической схемы усилительного блока 3 входным 60 и выходным 61 фильтрами и включенным между ними усилителем 42. Цепь 58 передачи и усилия сигналов обеспечивает прохождение усиливаемых сигналов в направлении от входа электрической схемы (от высокочастотного соединителя 35) к ее выходу (к высокочастотному соединителю 36). В цепи 58 передачи и усиления сигналов в качестве фильтров 60, 61 могут быть использованы полосовые фильтры, например, на керамических объемных резонаторах, а в качестве усилителя 42 может быть использована, например, микросхема типа "МААМ 12021 M/C-Com.".

Дополнительная цепь 59 (см. фиг.3) образована подключенными к выходу и входу электрической схемы усилительного блока 3 низкочастотными развязывающими фильтрами 62, 63 и включенным между ними ограничителем-стабилизатором постоянного напряжения 41. Дополнительная цепь 59 служит для формирования внутреннего напряжения питания U_ст для усилителя 42, а также для передачи этого напряжения на вход электрической схемы в качестве напряжения питания для усилителя 14 антенного блока 1. В дополнительной цепи 59 в качестве низкочастотных развязывающих фильтров 62, 63 могут быть применены Г-образные LC фильтры нижних частот, в качестве ограничителя-стабилизатора постоянного напряжения 41 может быть использована, например, микросхема типа "LT1129 IST-S Linear Technology", работающая в диапазоне входных напряжений от 3,5 до 4,5 В, формирующая на своем выходе стабилизированное напряжение 3,3 В и обеспечивающая ограничение выходного тока предельным значением около 60 мА.

Электрическая схема усилительного блока 3 в рассматриваемом примере выполнена на двух платах 52 и 53, размещенных по обеим сторонам продольной планки 51 вставки 44 (фиг.4, 3). На плате 52 расположены подключенные к входу электрической схемы входной фильтр 60 и низкочастотный развязывающий фильтр 63, а также усилитель 42. На плате 53 расположены подключенные к выходу электрической схемы выходной фильтр 61 и низкочастотный развязывающий фильтр 62, а также ограничитель-стабилизатор постоянного напряжения 41. Платы 52 и 53 связаны соответствующими проводниками между собой, а также с внутренними проводниками 56, 57 высокочастотных соединителей 35, 36. Платы 52 и 53 контактируют в "земляных" точках своей электрической схемы с продольной планкой 51, тем самым осуществляется их подключение к общей "земляной" цепи усилительного блока 3.

Сборка заявляемого усилительно блока 3 осуществляется следующим образом. На корпусах 54 и 55 (выполненных за одно целое с торцевыми фланцами 45 и 46 вставки 44) собираются высокочастотные соединители 35 и 36. На продольной планке 51 вставки 44 закрепляются платы 52 и 53. Платы 52 и 53 соединяются между собой и с высокочастотными соединителями 35 и 36. В стакане 43 размещаются упругие прокладки 49 и 50, после чего вставка 44 с платами 52, 53 и высокочастотными соединителями 35, 36 ввинчивается до упора в стакан 43. Собранный таким образом усилительный блок 3 готов для использования в составе заявляемого антенного модуля.

Сборка заявляемого антенного модуля и его подключение к внешней аппаратуре осуществляются 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, в состав которой входит внешний источник питания. Первый конец кабеля 34, оснащенный высокочастотным соединителем 40 и предназначенный для подключения к высокочастотному соединителю 36 усилительного блока 3, выходит из верхнего конца штанги 26.

В чашеобразном углублении 18 диэлектрической подставки 19 в соответствующей кольцевой выборке размещается упругая прокладка 23. На эту прокладку устанавливается предварительно собранный антенный блок 1 так, что его высокочастотный соединитель 16 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.

На корпус 37 усилительного блока 3 надевается оболочка 38. Усилительный блок 3 с надетой оболочкой 38 присоединяется к антенному блоку 1. Соединение осуществляется посредством сочленения высокочастотных соединителей 16 и 35 антенного 1 и усилительного 3 блоков.

Затем на выступ 25 диэлектрической подставки 19 навинчивается верхняя часть металлической трубчатой опоры 2 - втулка 27 - так, что усилительный блок 3 с надетой оболочкой 38 оказываются внутри втулки 27. При этом между внутренней поверхностью втулки 27 и наружной поверхностью оболочки 38 остается зазор.

К высокочастотному соединителю 36 усилительного блока 3 подсоединяется высокочастотный соединитель 40 пропущенного внутри штанги 26 кабеля 34.

Далее вся собранная таким образом конструкция опускается на верхний конец штанги 26. При этом верхний конец штанги 26 входит плотно внутрь втулки 27, а усилительный блок 3 с надетой на него оболочкой 38 свободно опускается внутрь штанги 26. Внутренние размеры штанги 26 в месте размещения в ней усилительного блока 3 выбраны таким образом, что между внутренней поверхностью штанги 26 и внешней поверхностью оболочки 38 остается воздушный промежуток, выполняющий функцию дополнительного изолятора. Провисающий конец кабеля 34 вытягивается из штанги 26. Затягивается стягивающий хомут 30 цангового зажима.

Работа антенного модуля с усилительным блоком 3 при приеме сигналов СРНС ГЛОНАСС и GPS осуществляется следующим образом.

В рабочем режиме по высокочастотному коаксиальному кабелю 34 от внешнего источника питания на высокочастотный соединитель 36 усилительного блока 3 подается внешнее напряжение питания U_П, например U_П=4 В. Это внешнее напряжение питания поступает через низкочастотный развязывающий фильтр 62 на вход усилителя-стабилизатора постоянного напряжения 41, который формирует на своем выходе стабилизированное напряжение U_ст, например U_ст=3,3 В, представляющее собой внутреннее напряжение питания антенного модуля. Это внутреннее напряжение питания поступает на ввод питания усилителя 42 усилительного блока 3, а также через низкочастотный развязывающий фильтр 63 и высокочастотные соединители 35, 16 на антенный блок 1. В антенном блоке 1 внутреннее напряжение питания U_ст поступает через низкочастотные развязывающие фильтры 17 на ввод питания усилителя 14.

С фидерных концов спиральной конической антенны 7 принимаемые сигналы поступают на микрополосковую согласующую схему 12 антенного блока 1, где суммируются, после чего через высокочастотный полосовой фильтр 13 поступают в усилитель 14. Усиленные усилителем 14 сигналы через развязывающий конденсатор 15 и высокочастотные соединители 16, 35 поступают в усилительный блок 3. В усилительном блоке 3 эти сигналы, пройдя через входной фильтр 60, поступают в усилитель 42. С выхода усилителя 42 сигналы через выходной фильтр 61 поступают на высокочастотный соединитель 36, а с него - по кабелю 34 - к потребителю. При этом применение двух усилителей 14, 42 и трех фильтров 13, 60, 61, реализующих характеристики полосовых фильтров, обеспечивает получение нужного (из условий передачи высокочастотных сигналов по длинному кабелю) соотношения сигнал/шум.

Развязка цепи прохождения сигналов и цепи питания обеспечивается в антенном блоке 1 с помощью развязывающего конденсатора 15 и низкочастотных развязывающих фильтров 17, реализующих характеристики фильтров нижних частот, а в усилительном блоке 3 - с помощью входного и выходного фильтров 60, 61, реализующих характеристики полосовых фильтров, и низкочастотных развязывающих фильтров 62, 63, реализующих характеристики фильтров нижних частот.

В случае разрядов молний и наведения импульсов напряжения на металлическую трубчатую опору 2 заявляемый антенный модуль не выходит из строя и сохраняет свою работоспособность за счет рассмотренного выше комплекса мер по обеспечению "пассивной" и "активной" защите активных элементов его электрической схемы (усилителей 14 и 42).

Таким образом, рассмотренное показывает, что заявляемая группа изобретений технически осуществима, промышленно реализуема и решает поставленную задачу по расширению эксплуатационных возможностей антенного модуля, а именно обеспечению возможности его эксплуатации в заданных условиях размещения на крыше высотного здания или иного сооружения.

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. EP 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 (А), Н 04 В 7/185, G 01 S 5/02, H 03 D 3/18, опубл. 08.03.1994.

11. US 6011524 (А), Н 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 расширение эксплуатационных возможностей путем реализации активной и пассивной защиты усилителей от воздействия наведенного напряжения, обусловленного разрядами молний. Сущность изобретения заключается в том, что антенный блок с токопроводящим основанием и диэлектрическим радиопрозрачным куполом размещен в чашеобразном углублении диэлектрической подставки, обеспечивающей электрическую изоляцию основания от металлической трубчатой опоры. С антенным блоком соединен расположенный внутри металлической трубчатой опоры усилительный блок, предназначенный для дополнительного усиления сигналов посредством собственного усилителя, а также для формирования внутреннего напряжения питания антенного модуля для усилителей антенного и усилительного блоков посредством ограничителя-стабилизатора постоянного напряжения. Электрическая схема усилительного блока размещена внутри замкнутого токопроводящего корпуса, образованного соединением стакана цилиндрической формы и вставки. Вставка несет на себе конструктивные элементы электрической схемы и высокочастотные соединители, служащие для подключений входа и выхода электрической схемы усилительного блока, причем корпуса этих высокочастотных соединителей выполнены за одно целое с соответствующими торцевыми фланцами вставки. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 6 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, при этом в чашеобразном углублении диэлектрической подставки в зоне, свободной от размещения антенного блока, выполнены отверстия для водостока, металлическая трубчатая опора соединена своей верхней частью с выступом, выполненным в нижней части диэлектрической подставки, а в выступе выполнено сквозное отверстие для размещения закрепленного на основании антенного блока первого высокочастотного соединителя, предназначенного для отвода принятых и усиленных антенным блоком сигналов и подвода к нему внутреннего напряжения питания антенного модуля, с антенным блоком соединен расположенный внутри металлической трубчатой опоры усилительный блок, предназначенный для дополнительного усиления сигналов посредством собственного усилителя, а также для формирования внутреннего напряжения питания антенного модуля для усилителей антенного и усилительного блоков посредством ограничителя-стабилизатора постоянного напряжения, усилительный блок имеет второй и третий высокочастотные соединители, расположенные на противоположных концах его токопроводящего корпуса, электрически изолированного от металлической трубчатой опоры, причем второй высокочастотный соединитель соединен с первым высокочастотным соединителем, а третий высокочастотный соединитель предназначен для подключения высокочастотного коаксиального кабеля, служащего для отвода принятых и усиленных антенным модулем сигналов и подвода внешнего напряжения питания от внешнего источника питания, при этом основание антенного блока, корпус усилительного блока и наружные проводники всех высокочастотных соединителей в рабочем режиме находятся под общим электрическим потенциалом E₀ - потенциалом "Земля", внутренний проводник третьего высокочастотного соединителя в рабочем режиме находится под электрическим потенциалом E₁ - потенциалом "Питание внешнее", а внутренние проводники первого и второго высокочастотных соединителей в рабочем режиме находятся под электрическим потенциалом Е₂ - потенциалом "Питание внутреннее", где E₁>E₂>E₀, E₁-E₀= U_П, Е₂-E₀= U_cт, U_П - внешнее напряжение питания, поступающее от внешнего источника питания, U_ст= const - внутреннее напряжение питания антенного модуля, формируемое в усилительном блоке ограничителем-стабилизатором постоянного напряжения и предназначенное для питания усилителей антенного и усилительного блоков. 2. Антенный модуль по п. 1, отличающийся тем, что электрическое изолирование корпуса усилительного блока от металлической трубчатой опоры осуществлено посредством размещенной на корпусе усилительного блока оболочки, выполненной в виде диэлектрического стакана, и воздушного промежутка между этой оболочкой и внутренней поверхностью металлической трубчатой опоры. 3. 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. 4. Антенный модуль по п. 3, отличающийся тем, что соединение цилиндрической втулки с верхним концом цилиндрической штанги осуществлено посредством цангового зажима. 5. Антенный модуль по п. 3, 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. 6. Усилительный блок, содержащий электрическую схему, вход и выход которой связаны между собой цепью передачи и усиления сигналов, образованной входном и выходным фильтрами и включенным между ними усилителем, отличающийся тем, что выход и вход электрической схемы связаны между, собой дополнительной цепью, служащей для формирования внутреннего напряжения питания для усилителя усилительного блока, а также для передачи этого напряжения на вход электрической схемы, дополнительная цепь образована подключенными к выходу и входу электрической схемы низкочастотными развязывающими фильтрами и включенным между ними ограничителем-стабилизатором постоянного напряжения, выполняющим функцию формирователя внутреннего напряжения питания, электрическая схема, включающая указанные цепи, размещена внутри замкнутого токопроводящего корпуса, образованного соединением выполненных из металла стакана цилиндрической формы и вставки, торцевые фланцы которой электрически контактируют со стаканом, при этом указанная вставка несет на себе конструктивные элементы электрической схемы и два высокочастотных соединителя, служащих для внешних подключений входа и выхода электрической схемы, причем высокочастотный соединитель, связанный с входом электрической схемы, предназначен для подвода усиливаемых сигналов и отвода внутреннего напряжения питания, а высокочастотный соединитель, связанный с выходом электрический схемы, предназначен для отвода усиленных сигналов и подвода внешнего напряжения питания для ограничителя-стабилизатора постоянного напряжения, указанные высокочастотные соединители расположены на противоположных концах вставки соосно ее продольной оси, при этом их корпуса выполнены за одно целое с соответствующими торцевыми фланцами вставки. 7. Усилительный блок по п. 6, отличающийся тем, что образующие его корпус стакан цилиндрической формы и вставка соединены между собой посредством резьбового соединения, причем стакан имеет внутреннюю резьбу, а по меньшей мере один из торцевых фланцев вставки - ответную наружную резьбу. 8. Усилительный блок по п. 6, отличающийся тем, что в качестве входного и выходного фильтров в цепи передачи и усиления сигналов применены полосовые фильтры, а в качестве низкочастотных развязывающих фильтров в дополнительной цепи применены Г-образные LC фильтры нижних частот.