ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2006 года по МПК H01Q1/32 

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники, в частности антенной техники, и может быть использовано в составе систем радиосвязи, устанавливаемых на подвижных носителях.

Под антенной системой понимается совокупность излучающих элементов, возбуждаемых от независимых источников. При разработке таких систем для мобильных носителей, в частности автомобилей, требуется в силу разных причин, чтобы антенны были скрыты или несущественно превышали габариты носителей.

Очевидно, что в наибольшей степени этим свойством обладает антенная система, использующая в качестве излучателя элементы корпуса или сам корпус носителя.

Известны щелевые и рамочные антенны [1, 2], выполненные из элементов конструкции автомобиля. Их недостатком является относительная узкополосность и ограниченные функциональные возможности.

Известны антенны со шлейфовым возбуждением, использующие металлический корпус транспортного средства (легкового автомобиля) [3]. Недостатками являются узкополосность и невозможность использования нескольких антенных систем на одном автомобиле.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является антенна по заявке №2733478 ФРГ МКИ Н 01 Q 1/32, опубл. 17.04. 1980, №16, принятая за прототип.

Схема антенны-прототипа представлена на фиг.1 (на фиг.1 вместо кузова автомобиля представлена схема кромки ветрового стекла), где обозначено:

1 - крыша автомобиля (верхняя кромка ветрового стекла);

2 - нижняя часть кузова автомобиля (нижняя кромка ветрового стекла);

3 - металлические распорки;

4, 5 - входные зажимы четырехполюсника;

6, 7 - выходные зажимы четырехполюсника V;

8, 9- первый и второй токопроводы;

C₁, jX - первое и второе реактивные сопротивления;

V - четырехполюсник;

Е - приемопередатчик.

В антенне-прототипе используют в качестве излучающего элемента кузов автомобиля. Антенна состоит из металлической крыши 1, нижней части кузова автомобиля 2 и металлических распорок 3, соединяющих верхнюю и нижнюю части кузова автомобиля. Антенна снабжена токопроводами 8 и 9, которые с одной стороны соединены с двумя точками 10 и 11 токопроводящего кузова, а с другой стороны присоединены к входным зажимам 4 и 5 четырехполюсника V.

Токопровод 8 лежит на ветровом стекле или проходит около ветрового стекла параллельно к близлежащей распорке 3 и присоединен к входному зажиму 4 пассивного четырехполюсника V, состоящего из двух реактивных сопротивлений C₁ и jX, которые служат для согласования антенны с волновым сопротивлением кабеля, подключенного к входу/выходу приемопередатчика Е.

Антенна-прототип работает следующим образом (в режиме передачи). При включении передатчика Е сигнал через входной зажим 4 четырехполюсника V и токопровод 8 подается на крышу автомобиля (точка 10). На участке между верхней 1 и нижней 2 кромками ветрового стекла токопровод 8 образует вместе с распоркой 3 петлевой вибратор, который эффективно излучает на рабочих частотах. Магнитная составляющая ближнего поля петлевого вибратора наводит на металлическом корпусе автомобиля токи высокой частоты, которые формируют в окружающем пространстве электромагнитное поле.

Для исключения пробоя эмиттерного перехода пускового транзистора 8 последовательно с ним включен диод 11. Разряд конденсатора 7 происходит через высокоомные резисторы 9 и 10.

Недостатком стабилизатора-прототипа является наличие большого числа элементов, выполняющих функцию запуска, что снижает его надежность.

Для устранения указанных недостатков в стабилизатор постоянного напряжения, содержащий регулирующий транзистор, эмиттер которого соединен с входным выводом, а коллектор - с выходным выводом, транзистор усилителя постоянного тока с противоположным типом проводимости, соединенный коллектором с базой регулирующего транзистора и анодом первого диода, базой - с выходом делителя выходного напряжения, эмиттером - через стабилитрон - с выходным выводом и через второй резистор - с общей шиной, а также последовательную RC-цепь, один вывод резистора которой соединен с общей шиной, согласно изобретению введен второй диод, последовательно соединенный с первым диодом, причем последовательная цепь из двух диодов шунтирует эмиттерный переход регулирующего транзистора в обратном направлении, точка соединения диодов через последовательную RC-цепь подключена к общей шине.

Схема предлагаемого стабилизатора постоянного напряжения приведена на фиг.2, где обозначено:

1 - регулирующий транзистор;

2 - транзистор усилителя постоянного тока (УПТ);

3 - стабилитрон;

4, 5 - резисторы делителя выходного напряжения;

6,12 - первый и второй резисторы;

7 - конденсатор;

11, 13 - первый и второй диоды.

Предлагаемый стабилизатор постоянного напряжения содержит регулирующий транзистор 1, эмиттером подключенный к входному выводу, а

8₁-8_n - n первых токопроводов;

9 - второй токопровод;

10 - противовес;

C₁, jX - первое и второе реактивные сопротивления четырехполюсника;

С₂(1)-C₂(n) - конденсаторы с распределенными параметрами;

V₁-V_n - четырехполюсники;

E₁-E_n - приемопередатчики.

Предлагаемая антенная система для подключения одного приемопередатчика (фиг.2) содержит металлический корпус транспортного средства (автомобиля) (крыша - 1, нижняя часть - 2, боковые стойки - 3), первый 8 и второй 9 токопроводы, конденсатор - с распределенными параметрами C₂, включенный между токопроводом 8 и корпусом транспортного средства, противовес 10, соединенный вторым токопроводом 9 с входным 5 и выходным 7 зажимами четырехполюсника V₁, состоящего из конденсатора C₁, включенного между входными зажимами 4 и 5, последний соединен с выходным зажимом 7, и реактивного сопротивления jX, включенного между входным 4 и выходным 6 зажимами четырехполюсника V₁. Выходные зажимы 6 и 7 четырехполюсника V₁ предназначены для подключения приемопередатчика E₁.

Антенная система, использующаяся для подключения n приемопередатчиков E₁-E_n (фиг.3), содержит корпус транспортного средства (автомобиля) (крыша - 1, нижняя часть - 2, боковые стойки - 3), n конденсаторов С₂ с распределенными параметрами, включенными между корпусом транспортного средства и соответствующим токопроводом 8₁-8_n, каждый из которых соединен с входным зажимом 4 соответствующего четырехполюсника V₁-V_n, выходные зажимы которых являются входными для подключения соответствующих приемопередатчиков E₁-E_n. Второй токопровод 9 подсоединен к входному зажиму 5 каждого из n четырехполюсников V₁-V_n и соединен с противовесом 10, расположенным на расстоянии R от корпуса транспортного средства, и изолированного от него.

Включение конденсатора С₂, между первым токопроводом 8 и корпусом автомобиля позволяет:

1. Разорвать гальваническую связь между выходом приемопередатчика Е и корпусом автомобиля и при работе n приемопередатчиков осуществить их гальваническую развязку (фиг.3).

2. Использовать конденсатор С₂ в качестве дополнительного элемента настройки антенны.

Первой обкладкой конденсатора С₂ с распределенными параметрами является корпус автомобиля, а второй обкладкой конденсатора является расположенный на расстоянии r от поверхности корпуса автомобиля плоский проводник произвольной формы S (на выноске фиг.2 представлен вариант размещения плоского прямоугольного проводника S на крыше автомобиля). Площадь поверхности S и расстояние r выбираются из условия

где ε₀=8,851·10^-12 [Ф/м] - электрическая постоянная;

ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала, используемого в качестве изолирующей прокладки между корпусом автомобиля и плоским проводником S. При постоянном значении r размер площади S можно использовать для дополнительной настройки антенны.

Для повышения эффективности возбуждения параллельно поверхности корпуса, к которой подключен токопровод 8, располагают противовес 10, выполненный из металла. Противовес 10 гальванически не связан с корпусом автомобиля и отстоит от него на некотором расстоянии R. Размеры противовеса ограничены габаритами транспортного средства и при конструктивном исполнении могут быть закамуфлированы, например, под багажник. К противовесу подключают через токопровод 9 и входной 5 и выходной 7 зажимы четырехполюсника V зажим приемопередатчика Е, который является «землей».

Антенна работает следующим образом (в режиме передачи). При включении приемопередатчика Е высокочастотный сигнал через зажимы 6 и 4 четырехполюсника V, токопровод 8 и конденсатор C₂ подается на корпус автомобиля. Корпус автомобиля совместно с противовесом 10 образуют колебательную систему типа несимметричного вибратора, излучающего электромагнитное поле в окружающее пространство. Активной частью несимметричного вибратора является корпус автомобиля, волновое сопротивление которого существенно ниже, чем у традиционных несимметричных вибраторов, из-за значительного увеличения отношения толщины излучающего элемента к его длине. Вследствие низкого волнового сопротивления полоса рабочих частот антенной системы в виде возбужденного корпуса транспортного средства значительно повышается при приемлемом коэффициенте стоячей волны.

На фиг.4 и 5 представлены результаты измерений коэффициента стоячей волны и диаграмм направленностей в горизонтальной плоскости макета широкополосной антенной системы, использующей кузов легкового автомобиля, в которой противовесом являлся багажник.

Из результатов измерений следует, что предлагаемая антенная система может эффективно излучать в полосе частот 20-600 МГц.

Источники информации

1. Заявка DE №4125898 Н 01 Q 1/32, 13/10 Н 04 В 7/08 «Антенна для транспортного средства.

2. Заявка ФРГ №3904676 Н 01 Q 1/32, 13/10, 21/28 «Автомобильная щелевая антенна».

3. Заявка ФРГ №6075496 Н 01 Q 9/16 «Антенна параллельного питания для больших земных транспортных средств».

Предлагаемое изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в составе систем радиосвязи, устанавливаемых на подвижных носителях. Технический результат - получение широкополосной антенной системы при использовании кузова автомобиля в качестве излучающего элемента для нескольких приемопередатчиков. Сущность изобретения состоит в том, что в антенную систему, использующую корпус транспортного средства и содержащую первый и второй токопроводы, подсоединенные к соответствующим входным зажимам первого четырехполюсника V₁, выходные зажимы которого являются входными для первого приемопередатчика E₁, введены n(n≥1) конденсаторов С₂(1)-С₂(n) с распределенными параметрами. Каждый конденсатор включен между корпусом транспортного средства и первым токопроводом каждого из n четырехполюсников V₁-V_n, второй токопровод соединяет соответствующие входные зажимы каждого четырехполюсника с противовесом, который изолирован от корпуса транспортного средства. Причем выходные зажимы (n-1) четырехполюсников являются входными для соответствующих (n-1) приемопередатчиков. 5 ил.

Широкополосная антенная система, использующая корпус транспортного средства и содержащая первый и второй токопроводы, подсоединенные к соответствующим входным зажимам первого четырехполюсника, выходные зажимы которого являются входными для первого приемопередатчика, отличающаяся тем, что введены (n-1) четырехполюсников, (n-1) приемопередатчиков и n конденсаторов с распределенными параметрами, где n≥1, каждый из конденсаторов включен между корпусом транспортного средства и первым токопроводом, каждый из которых соединен с входным зажимом соответствующего четырехполюсника, другой входной зажим каждого четырехполюсника вторым токопроводом соединен с противовесом, изолированным от корпуса транспортного средства, причем выходные зажимы (n-1) четырехполюсников являются входными для соответствующих (n-1) приемопередатчиков.