ДВУХДИАПАЗОННАЯ ШТЫРЕВАЯ АНТЕННА Российский патент 2015 года по МПК H01Q5/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к приемопередающим антеннам, размещаемым на подвижных объектах, предпочтительно, автомобилях.

Уровень техники

Известна антенна, вибратор которой выполнен из отрезка коаксиального кабеля, средняя часть которого изогнута в форме петли, расположенной в плоскости, параллельной электропроводному основанию, а концы ортогональны последнему (см. патент RU 2231179, МПК: H01Q 7/00, опубл. 20.06.2004). Однако упомянутый вибратор не предназначен для работы в двух диапазонах и его сложно расположить на крыше транспортного средства.

Известна антенна, работающая в двух диапазонах, которая может быть использована для установки на подвижном объекте (см. патент RU 2493639, МПК: H01Q 5/01, опубл. 20.09.2013 г.). Представленная на фиг.19 описания упомянутого патента антенна, закрепленная на портативном терминале сотового телефона, состоит из двух коаксиально расположенных проводников заданной длины, один из которых является центральным проводником коаксиального кабеля, а другой - наружным проводником коаксиального кабеля, которые электрически соединены между собой у верхнего конца вибратора за счет перегиба центрального проводника.

В качестве недостатков упомянутого аналога можно отметить сложность подстройки антенны, т.к. для этого потребуется, по меньшей мере, ее частичный демонтаж, а также сложность установки антенны на крыше транспортного средства, т.к. нижняя часть центрального проводника обнажается с целью формирования между прибором и внешним проводником зазора, образующего точку возбуждения.

В качестве наиболее близкого, по совокупности сходных существенных признаков, аналога для заявляемого технического решения принята конструкция двухдиапазонной антенны, см. патент на полезную модель RU 121657, МПК: H01Q 5/00, опубл. 27.10.2012 г.

Признаками, сходными с признаками предлагаемого технического решения, являются: наличие основания со средствами закрепления на подвижном объекте и установленного в нем штыревого вибратора, который включает внешний трубчатый проводник с длиной, соответствующей четверти средней длины волны верхнего диапазона частот, и коаксиально размещенный в нем центральный проводник с длиной, соответствующей четверти средней длины волны нижнего диапазона частот. Верхние концы проводников разомкнуты, а нижние - гальванически связаны между собой и подключены к центральному контакту входного разъема основания и далее - центральному проводнику питающего фидера.

Недостатком упомянутой конструкции является нестабильность и низкая надежность работы антенны, что обусловлено, в первую очередь, нестабильностью зазора между внешним и центральным проводниками по длине вибратора, в конструкции которого отсутствуют какие-либо центрирующие элементы. В результате невозможно добиться стабильности входного сопротивления четвертьволнового запирающего устройства, образованного этими проводниками.

Для согласования входного сопротивления вибратора с питающим фидером в конструкции используют специальное согласующее устройство, состоящее из двух конденсаторов переменной емкости, размещенных во внутренней полости корпуса основания. Для защиты центрального проводника от атмосферных воздействий и механических дестабилизирующих факторов устройство снабжено дополнительной трубкой, установленной соосно с внешним трубчатым проводником, соединенной с ним с помощью диэлектрической втулки и закрытой сверху диэлектрическим колпачком.

Использование специальных согласующих и защитных элементов не только усложняет конструкцию антенны, но и отрицательно сказывается на надежности ее работы и усложняет технологию изготовления, т.к. к антенне, размещаемой на подвижном объекте, предъявляются высокие требования к механической прочности закрепления деталей.

Раскрытие изобретения

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности и стабильности работы штыревой антенны.

Предлагаемое техническое решение позволяет получить следующие положительные технические результаты:

- высокую стабильность входного сопротивления короткозамкнутой коаксиальной линии при работе в обоих диапазонах частот и стабильность согласования вибратора с питающим фидером,

- высокую механическую прочность антенны,

- упрощение процессов изготовления и подстройки параметров штыревого вибратора,

- повторяемость параметров антенны от экземпляра к экземпляру.

Упомянутое стало возможным в предлагаемой двухдиапазонной штыревой антенне, содержащей основание со средствами закрепления на подвижном объекте и установленный на основании штыревой вибратор, включающий внешний трубчатый проводник с длиной, соответствующей четверти средней длины волны верхнего диапазона частот, и коаксиально размещенный в нем центральный проводник с длиной, соответствующей четверти средней длины волны нижнего диапазона частот, верхние концы которых (проводников) разомкнуты, а нижние - гальванически связаны между собой и соединены с центральным проводником питающего фидера.

Согласно заявляемому изобретению, штыревой вибратор антенны выполнен из отрезка коаксиального кабеля, при этом гальваническая связь центрального проводника отрезка коаксиального кабеля с его оплеткой, образующей внешний проводник, осуществлена через токопроводящую шайбу, примыкающую плоской поверхностью к нижнему срезу отрезка коаксиального кабеля, установленного на основании с опорой на упомянутую шайбу.

Т.к. антенна может быть закреплена не только на горизонтальном основании, то термины «нижний» и «верхний» являются условными. Под «нижним» концом проводников вибратора (и «нижним» срезом отрезка коаксиального кабеля) понимается конец, расположенный у основания антенны, со стороны подключения к питающему фидеру. Соответственно противоположный конец, удаленный от основания и точки ввода, именуется «верхним».

Внешний проводник - оплетка отрезка коаксиального кабеля - образует излучатель верхнего диапазона частот. Излучатель нижнего диапазона частот образован частично оплеткой и частично его центральным проводником. Изоляция с выступающей части центрального проводника отрезка коаксиального кабеля может не сниматься. Частотные диапазоны определяются длинами центрального проводника и оплетки отрезка коаксиального кабеля.

В нижней части оплетка и центральный проводник отрезка коаксиального кабеля короткозамкнуты (гальванически связаны). Короткозамкнутая с одной стороны коаксиальная линия, размером в четверть длины волны верхнего диапазона частот, имеет на этих частотах большое входное сопротивление, образуя т.н. четвертьволновое запирающее устройство (см. книгу Г.З. Айзенберг. Коротковолновые антенны. Гос. изд-во литературы по вопросам связи и радио. Москва, 1962 г., с. 40-41).

Для токов нижнего диапазона частот упомянутая короткозамкнутая коаксиальная линия является шлейфом, корректирующим уровень согласования.

Во всех случаях должно обеспечиваться стабильное входное сопротивление. Входное сопротивление короткозамкнутой коаксиальной линии зависит от соотношения диаметров внутреннего и внешнего проводников, от их расположения друг относительно друга и от диэлектрической проницаемости изоляционного материала, заполняющего коаксиальную линию (см. AppCAD, Version: 3.02, Agilent Technologies).

Выполнение вибратора из отрезка коаксиального кабеля, устройство которого, как известно, включает слой изоляции между внутренним (центральным) и внешним (оплеткой) проводниками, позволило обеспечить постоянство взаимного расположения проводников по всей длине вибратора.

Наличие внешней защитной оболочки коаксиального кабеля, выполненной из светостабилизированного полиэтилена, обеспечивает стабильность размеров излучателя верхнего диапазона частот (оплетки), защищая его от воздействия дестабилизирующих климатических факторов (в отличие от прототипа, где внешний проводник-трубка - ничем не защищена). Центральный проводник, защищенный слоем изоляции, также имеет стабильные размеры.

Стабильность диаметров внутреннего и внешнего проводников и постоянство их взаимного расположения по длине вибратора обеспечивают высокую стабильность входного сопротивления короткозамкнутой коаксиальной линии при работе в обоих диапазонах частот в любых погодных условиях и, как следствие, стабильность согласования вибратора с питающим фидером. В результате обеспечивается высокая надежность работы антенны.

Токопроводящая шайба не только выполняет функцию короткозамыкателя, но и образует согласующую емкость с корпусом основания, на котором крепится вибратор, что способствует дополнительной стабилизации входного сопротивления вибратора и стабильности его согласования с питающим фидером.

В предлагаемой конструкции значительно упрощен процесс подстройки параметров антенны. Подстройку можно осуществить простым подрезанием центрального проводника или оплетки кабеля, верхние концы которых свободны.

Антенна технологична и имеет низкую трудоемкость изготовления. Использование коаксиального кабеля позволяет добиться повторяемости параметров антенны от экземпляра к экземпляру в партии изделий.

При необходимости между основанием и токопроводящей шайбой устанавливается изолирующая прокладка.

В качестве основания предпочтительно использование магнитного основания с посадочным местом для штыревого вибратора, выполненным в виде коаксиального разъема с резьбовым соединением. Резьбовое соединение обеспечивает большую надежность соединения по сравнению с байонетным или врубным креплением.

В случае использования коаксиального разъема изолирующую прокладку выполняют со ступенчатой внешней поверхностью, что обеспечивает при установке вибратора возможность ее частичного вхождения во внутреннюю полость коаксиального разъема, подобно пробке, что также способствует механической прочности и надежности соединения.

Для защиты верхних срезов центрального проводника и оплетки отрезка коаксиального кабеля может быть использован термоусадочный колпачок.

Осуществление изобретения

Возможность промышленной применимости предлагаемого технического решения подтверждается приведенным ниже примером конкретного исполнения, иллюстрированным чертежом.

Двухдиапазонная штыревая антенна содержит установленный на магнитном основании 1 штыревой вибратор, выполненный из отрезка коаксиального кабеля, включающий внешний проводник 2, образованный оплеткой отрезка коаксиального кабеля, центральный проводник 3, слой изоляции 4 и защитный слой 5 из светостабилизированного полиэтилена. Слой изоляции 4 с выступающей части центрального проводника 3 не снимается. Длина оплетки 2 соответствует четверти средней длины волны верхнего диапазона частот. Длина центрального проводника 3 соответствует четверти средней длины волны нижнего диапазона частот.

Верхние концы проводников 2 и 3 разомкнуты. Нижний конец центрального проводника 3 гальванически связан с оплеткой 2 через токопроводящую шайбу 6, примыкающую к нижнему срезу отрезка коаксиального кабеля, и соединен с центральным проводником питающего фидера через входной разъем 7 основания 1. Разъем 7 размещен в центральной части магнитного основания 1 и выполнен в виде коаксиального разъема с резьбовым соединением.

Разъем 7 основания не только служит для подключения вибратора к питающему кабелю, но и является держателем для штыревого вибратора, установленного с опорой шайбы 6 на корпус разъема 7, который является частью основания 1.

Между токопроводящей шайбой 6 и корпусом разъема 7 установлена изолирующая прокладка 8, выполненная со ступенчатым профилем, что обеспечивает возможность ее частичного вхождения во внутреннюю полость разъема 7. Сверху вибратор дополнительно зафиксирован посредством гайки 9. Свободный конец штыревого вибратора защищен термоусадочным колпачком 10.

Магнитное основание 1 с установленным в нем штыревым вибратором закрепляют на крыше транспортного средства. Антенна работает следующим образом.

Ток, поступающий от центрального контакта разъема магнитного основания (или непосредственно от центрального проводника питающего фидера), протекает по оплетке 2 отрезка коаксиального кабеля, возбуждая вибратор на частотах верхнего диапазона. При этом на центральный проводник 3 кабеля ток не затекает, т.к. короткозамкнутая с одной стороны коаксиальная линия, размером в четверть длины волны верхнего диапазона частот, представляет собой четвертьволновое запирающее устройство, имеющее большое входное сопротивление на рабочих частотах верхнего диапазона.

При работе в нижнем диапазоне частот входное сопротивление короткозамкнутой коаксиальной линии уменьшается, и ток затекает на центральный проводник 3, возбуждая излучатель нижнего диапазона. Для токов излучателя нижнего диапазона частот упомянутая короткозамкнутая с одной стороны коаксиальная линия является шлейфом, корректирующим уровень согласования.

Наличие слоя 4 изоляции обеспечивает постоянство зазора между оплеткой 2 и центральным проводником 3, а наличие внешнего защитного слоя 5 способствует стабильности размеров оплетки 2, защищая ее от неблагоприятных воздействий окружающей среды и климатических факторов. В результате обеспечена высокая стабильность входного сопротивления короткозамкнутой коаксиальной линии.

Этому же способствует и колпачок 10, защищающий верхние срезы проводников 2 и 3 отрезка коаксиального кабеля.

Подстройку антенны осуществляют подрезанием центрального проводника 3 или оплетки 2 кабеля, верхние концы которых свободны.

Конструкция штыревой антенны отличается простотой, технологичностью изготовления и высокой механической прочностью.

Изобретение относится к приемопередающим антеннам, размещаемым на подвижных объектах. Технический результат - повышение стабильности входного сопротивления короткозамкнутой коаксиальной линии при работе в обоих диапазонах частот и стабильности согласования вибратора с питающим фидером, повышение механической прочности антенны, упрощение процессов изготовления и подстройки параметров штыревого вибратора. Для этого двухдиапазонная штыревая антенна содержит основание со средствами закрепления на подвижном объекте и установленный на нем штыревой вибратор из отрезка коаксиального кабеля. Верхние концы оплетки и центрального проводника вибратора разомкнуты, а нижние - гальванически связаны и соединены с центральным проводником питающего фидера. Гальваническая связь центрального проводника отрезка коаксиального кабеля с его оплеткой осуществлена через токопроводящую шайбу, примыкающую плоской поверхностью к нижнему срезу отрезка коаксиального кабеля, установленного на основании с опорой на упомянутую шайбу. Между основанием и токопроводящей шайбой размещена изолирующая прокладка. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Двухдиапазонная штыревая антенна, содержащая основание со средствами закрепления на подвижном объекте и установленный на нем штыревой вибратор, включающий внешний трубчатый проводник с длиной, соответствующей четверти средней длины волны верхнего диапазона частот, и коаксиально размещенный в нем центральный проводник с длиной, соответствующей четверти средней длины волны нижнего диапазона частот, верхние концы упомянутых проводников разомкнуты, а нижние - гальванически связаны между собой и соединены с центральным проводником питающего фидера, отличающаяся тем, что штыревой вибратор выполнен из отрезка коаксиального кабеля, при этом гальваническая связь центрального проводника отрезка коаксиального кабеля с его оплеткой, образующей внешний проводник, осуществлена через токопроводящую шайбу, примыкающую плоской поверхностью к нижнему срезу отрезка коаксиального кабеля, установленного на основании с опорой на упомянутую шайбу.

2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что между основанием и токопроводящей шайбой размещена изолирующая прокладка.

3. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве основания использовано магнитное основание с посадочным местом для штыревого вибратора, выполненным в виде коаксиального разъема с резьбовым соединением.

4. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что верхние срезы центрального проводника и оплетки отрезка коаксиального кабеля защищены термоусадочным колпачком.