ДВУХДИАПАЗОННАЯ ПОЛОСКОВАЯ УКВ АНТЕННА Российский патент 2024 года по МПК H01Q9/04 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в мобильных и стационарных ультракоротковолновых (УКВ) приемопередающих устройствах, в частности, применяемых в многофункциональной системе персональной спутниковой связи (МСПСС) «Гонец».

Известна антенна малогабаритная емкостная с согласующей катушкой индуктивности, описанная в патенте РФ № 2470424, МПК H01Q9/04, опубл. 20.12.2012. Антенна содержит соединенные последовательно катушку индуктивности и емкостной элемент, обкладки которого выполнены в виде вертикально расположенных одна над другой соосных цилиндрических токопроводящих поверхностей. Соединение элементов образует антенный колебательный контур с резонансом на заданной частоте передаваемого или принимаемого электромагнитного сигнала. Питание антенны осуществляется по коаксиальной линии, подключенной к согласующей катушке индуктивности, соединенной последовательно с индуктивностью антенного контура и размещенной соосно с ней. Все конструктивные элементы антенны выполнены на цилиндрическом основании из радиопрозрачного диэлектрика. 

Данная антенна работает следующим образом. Напряжение сигнала высокой частоты от передатчика подводится к входу антенны. На резонансе между развернутыми в пространстве цилиндрическими обкладками емкостного элемента возникает переменное напряжение высокой частоты, в Q раз превышающее по величине входное напряжение (Q - добротность антенного контура). При этом вокруг цилиндров образуется сильное высокочастотное электрическое поле, изменение которого во времени индуцирует в окружающем пространстве вихревые токи смещения. Некоторая небольшая (до 10%) величина токов смещения остается связанной со своим источником, оставшаяся часть токов смещения обеспечивает формирование излучаемой электромагнитной волны. Оптимальный электрический режим работы антенны обеспечивается настройкой ее на минимум коэффициента стоячей волны (КСВ) при согласовании входного импеданса антенны с волновым сопротивлением фидерной линии. Для обеспечения возможности оперативной подстройки антенны по минимуму КСВ в антенне применяется согласующая катушка индуктивности (СКИ), включенная последовательно с катушкой индуктивности антенного контура. СКИ выполнена на каркасе из упругого диэлектрика, имеющего винтообразную круговую канавку на поверхности, в которую уложены витки медного провода, и располагается между жесткими диэлектрическими фланцами. Верхний фланец катушки закреплен у основания антенны ниже и соосно с катушкой индуктивности антенного контура и имеет в геометрическом центре резьбовую вставку, в которую ввинчивается диэлектрическая шпилька с резьбой. Вращение шпильки приводит к перемещению нижнего фланца в осевом направлении, в результате чего происходит сжатие (растяжение) каркаса согласующей катушки. При этом изменяется расстояние между ее витками и, как следствие, меняется реактивное сопротивление согласующей катушки и входной импеданс антенны, таким образом выполняется настройка антенны.

Недостатками данного аналога являются узкий диапазон частот, в котором антенна имеет требуемые функциональные характеристики, а также снижение КПД антенны в связи с тем, что проводник, соединяющий катушку индуктивности с верхним цилиндром антенны, размещен в нижнем цилиндре антенны и образует с ним паразитную емкость, в результате чего часть мощности, подводимой к антенне, в пространстве этого емкостного элемента становится реактивной и не излучается. Кроме того, антенна сложна в изготовлении и настройке, а также, вследствие конструктивных особенностей СКИ, имеет низкую устойчивость к воздействию внешних факторов (температура, вибрация, удары), при котором изменяется индуктивность СКИ, а, следовательно, резонансная частота антенны, т.е. ухудшаются функциональные характеристики на заданной частоте.

Известна также антенна плоская емкостная, описанная в патенте РФ № 148181, МПК H01Q 9/04, опубл. 27.11.2014. Данная антенна содержит две плоских токопроводящих поверхности, разнесенные в пространстве и образующие в совокупности емкостной элемент антенны. Последовательно с емкостным элементом включена катушка индуктивности, образующая совместно с емкостным элементом последовательный колебательный контур, настроенный на заданную рабочую частоту антенны. На резонансной частоте контура, образованного катушкой и развернутыми в пространстве плоскими токопроводящими поверхностями конденсатора, между токопроводящими плоскостями образуется высокочастотное напряжение, вызывающее сильное высокочастотное электрическое поле E. Это поле вызывает образование токов смещения между развернутыми в пространстве плоскостями. Токи смещения, в свою очередь, создают сильное поле H. В совокупности, создается сильное электромагнитное поле. Питание антенны происходит по коаксиальному кабелю, подключенному к отводу катушки индуктивности и, путем изменения точки подключения кабеля к катушке, позволяет производить согласование антенны с кабелем в широких пределах волновых сопротивлений.

Антенна подключается к передатчику или приемнику с помощью фидерной линии (коаксиальный кабель), причем оплетка кабеля подключена к нижней токопроводящей поверхности, а центральная жила кабеля подключена к отводу от катушки - автотрансформаторное включение. Изменением точки подключения кабеля к катушке, достигается точное согласование входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением кабеля. Подстройка антенны по частоте в небольших пределах осуществляется путем изменения угла между токопроводящими поверхностями. Высокочастотное напряжение от передатчика поступает по коаксиальному фидеру, согласованному с антенной на необходимой частоте, к клеммам катушки индуктивности. На резонансной частоте контура, образованного катушкой и развернутыми в пространстве плоскими токопроводящими поверхностями конденсатора образуется высокочастотное напряжение. Подстройка антенны по частоте в небольших пределах осуществляется путем изменения угла между токопроводящими поверхностями.

Недостатком данного аналога является сложность изготовления и применения элементов настройки резонансной частоты. В данной антенне частота настройки определяется конструктивными характеристиками токопроводящих поверхностей (длиной, шириной, формой огибающего контура поверхности) и плоской (печатной) катушки индуктивности (выполняющей функцию катушки, «удлиняющей» длину резонансной волны антенны, функцию элемента согласования волновых сопротивлений). При необходимости настройки антенны на частоту, отличающуюся от резонансной частоты совокупности собранных токопроводящих поверхностей и катушки индуктивности (с учетом возможности незначительной подстройки за счет изменения угла между токопроводящими поверхностями) потребуется изготовление токопроводящих поверхностей с другими геометрическими размерами и/или формой, изготовление другой плоской катушки индуктивности. В случае если настройка рабочей частоты антенны может быть обеспечена изменением угла между токопроводящими поверхностями, потребуется изготовление устройств (кронштейнов) для обеспечения стабильности резонансной частоты, т.е. обеспечения жесткости конструкции антенны в целом.

Наиболее близким по своей технической сущности аналогом - прототипом по отношению к заявляемому устройству является емкостная двухрезонансная УКВ антенна, описанная в патенте РФ № 2700332, МПК H01Q 9/04, опубл. 16.09.2019. Антенна содержит два развернутых в пространстве емкостных элемента, образованных тремя токопроводящими поверхностями, одна из которых является общей и заземлена, две катушки индуктивности, каждая из которых соединена со своим емкостным элементом так, что образуется система из двух связанных колебательных контуров, настроенная на разные рабочие частоты, и согласующее устройство, два выхода которого подключены к разным катушкам индуктивности, а вход соединен с фидерной линией. При этом в каждую катушку индуктивности введены диэлектрическая гайка с резьбой и резьбовой диэлектрический сердечник с короткозамкнутым медным кольцом по окружности сердечника, которое при вращении сердечника перемещается внутри катушки, что приводит к плавному изменению ее индуктивности и позволяет производить точную подстройку резонансных частот антенных контуров в необходимых пределах.

В режиме излучения от передатчика по фидерной линии через согласующее устройство к антенне подводится напряжение сигнала той или иной высокой частоты. Резонанс возникает в том антенном контуре, частота настройки которого совпадает с частотой подводимого сигнала. При этом между развернутыми в пространстве токопроводящими поверхностями емкостного элемента соответствующего антенного контура возникает переменное напряжение высокой частоты. Высокочастотное электрическое поле, действующее между токопроводящими поверхностями, индуцирует в окружающем пространстве токи смещения, циркуляция которых приводит к возникновению электромагнитного излучения. В режиме подстройки частоты производится вращение резьбового сердечника, в результате чего происходит линейное перемещение короткозамкнутого медного кольца внутри катушки индуктивности соответственно. Взаимодействие магнитного поля катушки индуктивности и магнитного поля, обусловленного наведенной в короткозамкнутом медном кольце ЭДС, приводит к изменению индуктивности катушки, а перемещение медного кольца - к плавному изменению рабочей частоты антенны.

Недостатками ближайшего аналога являются:

- низкий КПД, связанный с потерями, обусловленными применением компонентов с реактивным сопротивлением в согласующем устройстве (катушек индуктивности, конденсаторов); а также двух катушек индуктивности с настроечным элементом (используемых для настройки антенных контуров), каждая из которых соединена со «своим» емкостным элементом антенны, в котором накапливается, т.е. не излучается, а теряется, часть энергии сигнала (так называемая «реактивная энергия» или «реактивная мощность»);

- сложность настройки, так в связи с накоплением (и не излучением) части энергии сигнала в реактивных компонентах электромагнитное поле этой реактивной энергии в процессе настройки взаимодействует с проводящими и диэлектрическими телами (предметами), в т.ч. с телом радиоинженера и инструментом, которым он пользуется; поэтому настраиваемые характеристики антенны в этом случае зависят от взаимного положения настраиваемой антенны и тела радиоинженера, инструмента; по окончании настройки необходимо обеспечить расположение антенны над плоской поверхностью (проводящей или диэлектрической – в зависимости от условий предстоящего использования, например, на крыше автомобиля, судна или над поверхностью пресной воды), чтобы на расстоянии 2…3 длин волн сигнала от нее не находились проводящие или диэлектрические тела и предметы – и повторно измерить настраиваемые параметры, после чего при необходимости повторить настройку;

- низкая устойчивость антенны к воздействию таких внешних факторов, как вибрация и удары, обусловленная конструктивными особенностями катушек индуктивности и согласующего устройства. При воздействии данных факторов изменяется индуктивность СКИ, а, следовательно, резонансная частота антенны, в результате чего ухудшаются функциональные характеристики на заданной частоте.

В связи с этим потребовалось решение технической проблемы, заключающейся в улучшении функциональных характеристик двухдиапазонной антенны, повышении ее КПД, упрощении ее настройки и согласования, а также повышении ее устойчивости к воздействию внешних факторов.

Техническим результатом использования заявленного устройства является повышение КПД, обеспечение постоянства конструктивно заданных радиочастотных параметров и параметров излучения, в том числе при воздействии внешних факторов, простота и удобство настройки.

Указанный технический результат при использовании заявленного изобретения достигается тем, что двухдиапазонная полосковая УКВ антенна содержит три токопроводящие поверхности, изготовленные с применением электрохимической технологии, одна из которых заземлена, а две другие образуют попарно с ней два развернутых в пространстве емкостных элемента, при этом две из токопроводящих поверхностей представляют собой вибраторы, а третья (заземленная) – противовес (подложку). На каждой из токопроводящих поверхностей имеется настроечный элемент, выполненный в виде полосковой линии. Первый вывод настроечного элемента каждого вибратора подключен к центральному проводнику фидерной линии, а второй вывод настроечного элемента каждого вибратора подключен к входу соответствующего вибратора. Первый вывод третьего настроечного элемента подключен к центральному проводнику фидерной линии, а его второй вывод к входу противовеса. На каждом настроечном элементе припаяна перемычка (второй вывод настроечного элемента), место расположения которой определяет эффективную длину настроечного элемента.

Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показаны:

на фиг. 1 - конструктивный чертеж вибратора ВЧ-диапазона;

на фиг. 2 - конструктивный чертеж вибратора НЧ-диапазона;

на фиг. 3 - конструктивный чертеж пластины противовеса (подложки);

на фиг. 4 - конструктивный чертеж предлагаемой антенны;

на фиг. 5 - принципиальная схема двухдиапазонной полосковой УКВ антенны.

Заявленное устройство, показанное на фиг. 1-5, содержит три токопроводящие поверхности, две из которых представляют собой вибраторы (1, 2), а третья - противовес (3). На каждой из токопроводящих поверхностей имеется настроечный элемент (1.1, 2.1, 3.1), выполненный в виде полосковой линии. На каждом настроечном элементе припаяна перемычка (1.2, 2.2, 3.2), место расположения которой определяет эффективную длину настроечного элемента (и действующую длину антенны). Первый вывод настроечного элемента (1.1, 2.1) каждого вибратора подключен к центральному проводнику фидерной линии (4) в точках 1.3, 2.3, а второй вывод настроечного элемента (1.1, 2.1) каждого вибратора подключен (в точке установки перемычки) к входу соответствующего вибратора. Первый вывод третьего настроечного элемента (3.1) подключен к центральному проводнику фидерной линии (4) в точке 3.3, а его второй вывод (в точке установки перемычки) к входу противовеса.

Вибраторы (1, 2) механически крепятся к противовесу (3) с использованием двух диэлектрических держателей (в конструкции каждого держателя предусмотрены пазы, в каждый из которых устанавливается вибратор и крепится в пазе посредством клеевого соединения; держатели крепятся к противовесу посредством клеевого соединения).

Вибраторы (1, 2) образуют попарно с противовесом (3) два развернутых в пространстве емкостных элемента, при этом каждый из них предназначен для отдельного диапазона частот (ВЧ и НЧ). Вибраторы (1, 2) представляют собой диэлектрические пластины с токопроводящим покрытием, выполненные в форме полукруга, и изготовлены с применением электрохимической технологии.

Для обеспечения более высокой резонансной частоты вибратора ВЧ-диапазона относительно резонансной частоты вибратора НЧ-диапазона в токопроводящем покрытии вибратора ВЧ-диапазона могут быть предусмотрены вырезы (1.4), например, полукруглой формы, расположенные таким образом, что наибольшие хорды этих полукругов расположены на наибольшей хорде полукруга вибратора, за счет которых площадь вибратора ВЧ-диапазона становится в N раз меньше площади НЧ-вибратора НЧ-диапазона:

N = F_ВЧ/F_НЧ, где

F_ВЧ – частота настройки вибратора ВЧ-диапазона;

F_НЧ – частота настройки вибратора НЧ-диапазона.

Противовес (3) представляет собой круглую диэлектрическую пластину с токопроводящим покрытием, и изготовлен с применением электрохимической технологии. Противовес соединен с внешним проводником фидерной линии (заземлен).

Настроечные элементы в виде полосковых линий (1.1, 2.1, 3.1) с закорачивающими перемычками (1.2, 2.2, 3.2), размещены на поверхности каждого вибратора (1, 2) и на поверхности противовеса (3) и предназначены для настройки антенны по частотам с помощью перемычек 1.2 и 2.2 и настройки КСВ антенны с помощью перемычки 3.2. Перемычки устанавливаются методом пайки на определенном расстоянии от точки подключения центрального проводника фидерной линии, при этом место расположения перемычки определяет эффективную длину настроечного элемента.

Питающая антенну двухпроводная электрическая линия (фидер) может быть выполнена в виде высокочастотного кабеля, внутренний провод которого соединен с первыми выводами настроечных элементов (точками питания) вибраторов (и первым выводом настроечного элемента противовеса), внешний провод одним концом заземлен на приемопередатчике, а второй конец внешнего провода высокочастотного кабеля соединен в нескольких точках с проводящей поверхностью пластины противовеса.

Применение в предлагаемой антенне герметизированных (с использованием распыляемых герметизирующих покрытий) настроечных элементов, не имеющих вращающихся или движущихся деталей, обеспечивает после завершения настройки высокую устойчивость настроечных элементов и антенны в целом к воздействию внешних факторов: влажности, ударов, вибрации и других механических воздействий, а также постоянство конструктивно заданных радиочастотных параметров (значений резонансных частот, величины КСВ) и параметров излучения (сопротивления излучения, характеристик направленности, КПД).

Заявленное устройство работает следующим образом. В режиме передачи от передатчика по фидерной линии на антенну подается напряжение сигнала высокой частоты. Резонанс возникает в том антенном контуре (совокупности одного из вибраторов и противовеса), частота настройки которого совпадает с частотой подводимого сигнала. При этом между размещенными в пространстве антенны противовесом (3) и вибратором (1) или (2) антенного контура возникает переменное напряжение, величина которого в Q раз (Q - добротность антенного контура) превышает по величине входное напряжение. На поверхностях соответствующего вибратора и противовеса протекают токи проводимости, в диэлектрике между вибраторами и противовесом - токи смещения; токи антенны возбуждают электромагнитное поле (ЭМП) вокруг антенны. Некоторая часть ЭМП (величина которой определяется паразитными индуктивностью и емкостью настроечных элементов) остается связанной со своим источником. «Связанному» ЭМП соответствует «связанная» (реактивная) мощность, которая не излучается в пространство. Другая часть ЭМП (активная часть ЭМП) теряет связь с источником и излучается в окружающее антенну пространство. Вследствие того, что паразитные индуктивность и емкость настроечных элементов в десятки раз меньше, чем у антенны-прототипа, реактивная составляющая ЭМП также в десятки раз меньше, чем у антенны-прототипа.

В режиме приема ЭМП рабочей частоты возбуждает на поверхностях соответствующего (настроенного на рабочую частоту) вибратора и противовеса токи проводимости, на зажимах антенны возникает напряжение сигнала той же частоты, в результате чего сигнал передается в согласованную с антенной фидерную линию.

В режиме настройки антенны к ее входным зажимам подключается прибор измерения КСВ. Настройка рабочей частоты каждого вибратора и КСВ антенны в целом производится последовательно перемещением перемычки 1.2 или 2.2 на настроечном элементе соответствующего вибратора (настройка рабочей частоты) и перемычки 3.2 на настроечном элементе противовеса (настройка КСВ антенны).

Использование электрохимической технологии изготовления трех токопроводящих поверхностей, две из которых служат вибраторами антенны, а третья - противовесом, обеспечивает высокую технологическую точность геометрических характеристик антенны, а следовательно постоянство конструктивно заданных радиочастотных параметров и параметров излучения.

Повышение КПД обеспечивается отсутствием в конструкции антенны реактивных элементов с сосредоточенными параметрами: конденсаторов, катушек индуктивности. Величины паразитных емкостей и индуктивностей настроечных элементов (полосковых линий) в десятки раз меньше величин емкостей и индуктивностей элементов с сосредоточенными параметрами, соответственно энергетические потери в предлагаемой антенне значительно меньше потерь в антенне-прототипе.

Применение настроечных элементов в виде полосковых линий с закорачивающими перемычками, устанавливаемыми методом пайки обеспечивает возможность работы антенны в широком частотном диапазоне, устойчивость к воздействию внешних факторов, а также простоту и удобство настройки антенны и упрощение согласования антенны с выходом передатчика и входом радиоприемника, за счет высокой точности изготовления деталей антенны, отсутствия подвижных и вращающихся элементов и высокой жесткости конструкции антенны. Также снижается зависимость характеристик антенны от окружающей среды, в т.ч. от расположенных рядом с ней проводящих и диэлектрических объектов, за счет эффективного согласования антенны с фидером, малой реактивной составляющей комплексного сопротивления антенны, а следовательно, малого значения реактивной составляющей ЭМП.

Таким образом, в заявленном устройстве обеспечивается повышение КПД, обеспечение постоянства конструктивно заданных радиочастотных параметров и параметров излучения, в том числе при воздействии внешних факторов, простота и удобство настройки, т.е. достигается сформулированный технический результат при использовании заявленного устройства.

Изобретение относится к антенной технике и применяется в мобильных и стационарных ультракоротковолновых (УКВ) приемопередающих устройствах. Технический результат - повышение КПД, стабильность конструктивно заданных радиочастотных параметров и параметров излучения, простота и удобство настройки. Результат достигается тем, что предложена двухдиапазонная полосковая антенна, содержащая три токопроводящие поверхности, одна из которых заземлена, а две другие образуют попарно с ней два развернутых в пространстве емкостных элемента, отличающаяся тем, что токопроводящие поверхности изготовлены с применением электрохимической технологии, при этом две токопроводящие поверхности представляют собой вибраторы, один из которых предназначен для НЧ-диапазона, а второй для ВЧ-диапазона, а третья - противовес, причем на каждой из токопроводящих поверхностей имеется настроечный элемент, выполненный в виде полосковой линии, при этом на каждом настроечном элементе установлена перемычка, место расположения которой определяет эффективную длину настроечного элемента. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Двухдиапазонная полосковая антенна, содержащая три токопроводящие поверхности, одна из которых заземлена, а две другие образуют попарно с ней два развернутых в пространстве емкостных элемента, отличающаяся тем, что токопроводящие поверхности изготовлены с применением электрохимической технологии, при этом две токопроводящие поверхности представляют собой вибраторы, один из которых предназначен для НЧ-диапазона, а второй для ВЧ-диапазона, а третья – противовес, причем на каждой из токопроводящих поверхностей имеется настроечный элемент, выполненный в виде полосковой линии, первый вывод настроечного элемента каждого вибратора подключен к центральному проводнику фидерной линии, а второй вывод настроечного элемента каждого вибратора подключен к входу соответствующего вибратора, первый вывод третьего настроечного элемента подключен к центральному проводнику фидерной линии, а его второй вывод к входу противовеса, при этом на каждом настроечном элементе установлена перемычка, место расположения которой определяет эффективную длину настроечного элемента.

2. Двухдиапазонная полосковая антенна по п. 1, в одной токопроводящей поверхности которой, являющейся вибратором ВЧ-диапазона, выполнены два выреза в форме полукруга, расположенные таким образом, что наибольшие хорды этих полукругов расположены на наибольшей хорде полукруга вибратора, при этом размер полукругов рассчитан таким образом, чтобы отношение площади токопроводящей поверхности вибратора НЧ-диапазона к площади токопроводящей поверхности вибратора ВЧ-диапазона было равно отношению номинала средней частоты ВЧ-диапазона к номиналу средней частоты НЧ-диапазона.