Автомобильная антенна

 

Использование: бортовые антенны, размещенные на ветровом стекле. Сущность изобретения: излучатель автомобильной антенны выполнен в виде отрезков проводников, расходящихся веерообразно от точки их подключения к блоку настройки и согласования, установленному непосредственно у нижней металлической кромки оконного проема и подключенному посредством коаксиального фидера к передатчику. При больших габаритах оконного проема симметрично по обе стороны излучателя устанавливаются дополнительные отрезки проводников, электрически связанные с противоположными металлическими кромками. 2 з. п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике. Предложенная автомобильная антенна предназначена для установки на автомобилях для работы с маломощными (единицы ватт) передатчиками или маломощными приемопередатчиками диапазона метровых волн.

Известны автомобильные антенны, размещаемые на поверхности или внутри оконного стекла автомобиля.

Они представляют собой различные варианты вибраторных излучателей, размещенных на поверхности оконного стекла внутри автомобиля или запрессованных в стекле, или комбинированное использование проводов обогрева оконного стекла в качестве приемной антенны.

Достоинством перечисленных устройств является относительная простота их конструкции, надежность в эксплуатации, так как они не подвержены дестабилизирующим факторам среды (аэродинамической нагрузке, осадкам, пыли и т.п.).

Однако они обладают и рядом недостатков. Их малые электрические размеры обуславливают значительную по величине реактивную составляющую входного сопротивления, имеющую емкостной характер, что делает антенну критичной к настройке, приводит к низкому КПД и коэффициенту усиления (КУ) антенны в целом. Это допускает их использование только в качестве приемных антенн.

Наиболее близкой к предложенной является автомобильная антенна, которая состоит из линейного излучателя, установленного в средней части оконного проема на поверхности стекла внутри салона автомобиля, который закреплен между противолежащими металлическими кромками оконного проема. Верхний конец излучателя кондуктивно связан с металлической кромкой оконного проема, а нижний через активное сопротивление подключен к средней точке двух последовательно включенных конденсаторов, размещенных в вентиляционном отсеке под нижней металлической кромкой оконного проема. Один внешний конец двух последовательно включенных конденсаторов связан с металлической кромкой оконного проема, а другой с центральным проводником коаксиального фидера, экранная оболочка которого также связана с металлической кромкой оконного проема.

При такой схеме реактивная составляющая входного сопротивления носит индуктивный характер, что дает возможность в качестве элементов настройки использовать емкостные элементы, несколько повысить КПД органов настройки и использовать антенну не только как приемную, но и как передающую.

Однако эта антенна обладает рядом недостатков. Использование в качестве излучателя относительно короткого проводника приводит к тому, что антенная система остается высокодобротной, узкополосной, очень критичной к настройке. Для устранения указанных недостатков в схему излучателя необходимо искусственно вводить активные потери путем включения последовательно с излучателем резистора. Однако это вновь приводит к снижению КПД и КУ.

Другим недостатком прототипа является слабое возбуждение корпуса автомобиля излучателем, что также снижает эффективность (КУ) антенной системы в целом, приводит к резкой неравномерности азимутальной диаграммы направленности (ДН) из-за экранировки корпусом автомобиля излучателя, который в основном определяет поле излучения.

Целью изобpетения является создание автомобильной приемопередающей антенны, обладающей более высокими коэффициентами усиления и равномерности ДН путем эффективного возбуждения элементов конструкции корпуса автомобиля.

Это достигается тем, что в автомобильной антенне, содержащей линейный излучатель, расположенный на поверхности или внутри стекла симметрично относительно вертикальной оси симметрии оконного проема и присоединенный первым концом к верхней металлической кромке оконного проема, а вторым концом к выходу блока настройки и согласования (БНС), содержащего реактивные элементы, вход которого подключен к центральному проводнику коаксиального фидера, внешний проводник которого присоединен к нижней металлической кромке оконного проема, линейный излучатель выполнен из n≥2 отрезков проводника, радиально расходящихся от его второго конца. При этом выходом БНС является точка соединения двух реактивных элементов. Другой конец одного из реактивных элементов является входом БНС, а конец другого реактивного элемента подключен к внешнему проводнику коаксиального фидера. Угол между крайними отрезками проводника линейного излучателя составляет 10.60^о. В случае больших размеров оконного проема, когда его полупериметр в сумме с длиной линейного излучателя превышает половину минимальной длины рабочей волны ( λ _min), симметрично по обе стороны от линейного излучателя введены два дополнительных отрезка проводника, короткозамыкающих верхнюю и нижнюю металлические кромки оконного проема. При этом суммарная длина линейного излучателя, одного из дополнительных отрезков проводников и частей металлических кромок, заключенных между ними, не превышает λ _мин.

Указанная новая совокупность существенных признаков обеспечивает эффективное возбуждение металлических элементов корпуса автомобиля, что снижает добротность антенной системы в целом за счет увеличения мощности, расходуемой на создание поля излучения, и снижение тепловых потерь в элементах конструкции излучателя и БНС. Возбуждение элементов корпуса автомобиля снижает его экранирующее действие, что повышает равномерность азимутальной ДН. Это обуславливает повышение КПД и КУ антенной системы в целом.

На фиг. 1 приведена общая схема антенны; на фиг. 2 варианты выполнения схемы блока настройки и согласования; на фиг. 3 вариант размещения антенны на автомобиле; на фиг. 4 6 поясняется принцип работы устройства; на фиг. 7 и 8 приведены результаты экспериментальных исследований.

Автомобильная антенна (см. фиг. 1) состоит из линейного излучателя 1 длиной l, выполненного из нескольких (на фиг. 1 из двух) отрезков проводника, радиально расходящихся под углом α от одного конца (на фиг. 1 нижнего, точка а). Другой конец (на фиг. 1 верхний) линейного излучателя (точки б-б) кондуктивно связан с металлической кромкой оконного проема 2. Линейный излучатель 1 установлен на поверхности или внутри стекла 3. Нижний конец линейного излучателя 1 подключен (точка а) к выходу БНС 4. К входу БНС 4 (точка т) подключен центральный проводник коаксиального фидера 5, экранная оболочка которого электрически связана с нижней металлической кромкой (точка о) оконного проема 2. БНС 4 включает два последовательно включенных реактивных элемента 6 и 7, через которые центральный проводник фидера 5 связан с нижней металлической кромкой оконного проема 2. При необходимости работы в диапазоне частот элементы 6 и 7 могут быть выполнены с переменными параметрами (конденсатор переменной емкости, катушка переменной индуктивности). Средняя точка элементов 6 и 7 подключена непосредственно к выходу БНС (точка а). Реактивный элемент 6 может быть реализован либо в виде конденсатора С₁, либо катушки индуктивности L. Реактивный элемент 7 выполнен в виде конденсатора С₂. Электрические схемы БНС для указанных вариантов исполнения элемента 6 показаны соответственно на фиг.2 а, б. В описанном варианте схема реализует поставленную цель при условии, что полупериметр оконного проема р/2 в сумме с длиной излучателя 1 l не превышает 0,5 λ_мин, т.е.

(p/2+l)<0,5 λ_min. (1) При больших габаритах оконного проема (например, автомобиль типа КАМАЗ), когда условие (1) не выполняется, схема антенны дополняется двумя отрезками проводников 8 каждый длиной l^' Дополнительные отрезки проводников 8 размещены симметрично относительно линейного излучателя 1 по обе его стороны. Концы каждого отрезка проводника 8 в точках м и м^'индуктивно связаны с металлическими кромками оконного проема. Точки м и м^' отстоят от оси линейного проводника 1 соответственно на расстояния d и d^'. Причем необходимо выполнение условия (l+l^' +d+d^' )<0,5 λ_min (2).

В общем случае d≠d^' т.е. отрезки проводника 8 могут устанавливаться произвольно относительно оси линейного излучателя 1. В частном случае значения d и d^' могут быть равны. Число отрезков проводника n образующих линейный излучатель, n≥2. В предельном случае, когда n->>∞, линейный излучатель может быть выполнен в виде сплошной пластины. Число отрезков проводника определяется либо из конструктивных, либо эстетических соображений. Угол α между крайними отрезками проводника, образующими линейный излучатель 1,составляет 10.60^о. Линейный излучатель целесообразно устанавливать на переднем или на заднем (см. фиг. 3) стекле автомобиля. Если не предъявляются жесткие требования к равномерности азимутальной ДН, излучатель может устанавливаться и на боковых оконных проемах автомобиля.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Линейный излучатель 1 совместно с металлическим корпусом автомобиля образует антенную систему, полное входное сопротивление которой Z_a=R_a+iX_a определяется комплексным сопротивлением cобственно излучателя Z_и=R_и+iX_и и вносимым с некоторым коэффициентом трансформации N²комплексным сопротивлением корпуса автомобиля Z_к (см. эквивалентную схему на фиг. 4), т.е. линейный излучатель 1 выполняет в данном случае роль малогабаритного возбудителя, а поле излучения и входные параметры системы в целом определяются степенью возбуждения корпуса автомобиля. Высокочастотный ток, протекающий от точки а по линейному излучателю 1, в точках б-б растекается по корпусу автомобиля, концентрируясь главным образом на кромках оконного проема 2 (см. эпюры тока на фиг. 5).

Из эпюр следует, что токи на горизонтальных кромках противофазны и практически не участвуют в создании поля излучения. Токи на вертикальных кромках синфазны и одновременно оба противофазны току в линейном излучателе 1, амплитуда которого существенно меньше суммы амплитуд токов на боковых кромках. Определяющими в создании поля излучения являются токи на боковых кромках за вычетом тока на линейном излучателе 1, и их можно трактовать как систему из двух синфазных вибраторов. Очевидно, что наивысшая эффективность такой излучающей системы будет реализована в случае расположения пучности токов в серединах вертикальных кромок (см. фиг. 5). Это достигается выполнением условия (1). В случае невозможности соблюдения условия (1) из-за больших габаритов оконного проема необходимо установить дополнительные отрезки проводника с соблюдением условия (2). Определяющий вклад в поле излучения боковых кромок оконного проема обусловливает, кроме того, и повышение (в сравнении с прототипом) коэффициента равномерности ДН К_р, под которым понимается отношение минимального Е_мин и максимального Е_макс уровней азимутальной ДН. Это объясняется тем, что при равновероятной ориентации автомобиля относительно направления на корреспондента вертикальные кромки оконного проема практически не экранируются его корпусом.

Увеличение КПД и, следовательно, КУ предложенного устройства объясняется следующим. Из показанной на фиг. 4 эквивалентной схемы следует, что автомобильная антенна представляет собой систему, состоящую из первичного малогабаритного возбудителя (его роль выполняет линейный излучатель 1), обладающего собственным комплексным сопротивлением Z_и=R_и+iX_и, и корпуса автомобиля, комплексное сопротивление которого Z_к=R_к+iX_к подключено к входу антенны с некоторым коэффициентом трансформации N². Известно (см. например, Буткевич А. О, и Чернолес В.П. К вопросу оценки влияния корпуса летательного объекта на эффективность КВ антенной системы с малогабаритным излучателем. НТС. Техника средств связи. Серия: Системы связи, Вып. 1, М. 1982), что КПД бортовой антенной системы с малогабаритным возбудителем определяется выражением: η [ 1 + Q_Σo / ( K_Σ Q_н ) +Q_Σo / ( K_Σ Q_п )]^-1, (3) где Q_Σo= I X_иI /R_и идеальная ( без учета тепловых потерь) добротность возбудителя в системе с корпусом объекта.

Q_н, Q_п добротности, характеризующие потери соответственно в органах настройки и элементах конструкции антенны (изоляторах, металле и т.п.); K_Σ Q_Σo / Q_Σ -коэффициент возбуждения корпуса объекта, характеризующий степень его участия в создании поля излучения; Q_Σ идеальная добротность возбудителя в системе с корпусом объекта.

Из выражения (3) видно, что наибольший КПД реализуется путем минимизации Q_Σo и максимизации Q_н, Q_п, K_Σ С учетом реальных размеров оконного проема легкового автомобиля электрическая длина возбудителя составляет (например, на частоте 30 МГц) l/λ ≈ 0,05, что определяет Q_Σo ≈ 10³. В предложенной антенне минимизация Q_Σoреализуется снижением волнового сопротивления излучателя путем выполнения его в виде радиально расходящихся проводников, а подключение излучателя в нескольких точках к оконному проему обеспечивает минимизацию Q_Σ т.е. приводит к наиболее эффективному участию корпуса автомобиля (максимизации K_Σ ). Последнее позволяет добиться требуемых условий настройки согласования за счет применения в БНС только реактивных элементов, т.е. повысить Q_н и Q_п, что в конечном счете обеспечивает не только повышение КПД антенны в целом, но и возможность ее работы в более широком диапазоне частот.

Принцип действия схемы согласования основан на неполной настройке антенны емкостью С₂ на параллельный резонанс, когда реальная часть полного входного сопротивления антенны R_A=R_e(Z_A) равна волновому сопротивлению фидера ρ_ф с последующей компенсацией индуктивной или емкостной составляющей входного сопротивления емкостью С₁ или индуктивностью L (см. фиг. 6). Рабочая частота f'_p и f''_p реализуется соответственно при настройке антенного контура в область более низких и более высоких относительно резонансной частот. Величина конденсатора С₂выбирается из условия компромиссного удовлетворения требований по габаритам БНС и диапазонности устройства. Требования по достижению минимально возможных габаритов БНС определяют пределы изменения емкости С₂ и этим ограничивают диапазон частот по настройке. При уже выбранном значении С₂ работа в более высокочастотном участке диапазона достигается заменой конденсатора С₁ на катушку L. Таким образом, при общем для обоих вариантов схем БНС элементе С₂ применение C₁ либо L позволяет использовать антенну в более широком диапазоне частот.

Условия выбора элементов С₁, С₂, L следуют из эквивалентной схемы на фиг. 4: -X_A (4) (ωL) -(+)X (5)
Физическая реализуемость элементов схемы БНС определяется условием
ρ_ф ≅ (R_A+X_A²/ ρ_ф ), (6)
где ω 2 π f;
f рабочая частота.

Значения R_A, X_A при выбранном месте установки излучателя на автомобиле определяются путем измерений, после чего с помощью соотношений (4) и (5) вычисляются номиналы элементов С₁, С₂ или L.

Экспериментальная проверка возможности достижения поставленной цели выполнена применительно к автомобилю ВАЗ-2106. Излучатель устанавливается внутри салона на заднем оконном проеме. Излучатель выполнен из двух медных отрезков проводника диаметром 0,5 мм, установленных под углом α15^о. Длина излучателя по оси его симметрии l=500 мм. В качестве элементов БНС использованы конденсаторы С₁, С₂переменной емкости (типа КПК) с пределами 5.25 пФ. Кроме того, вместо конденсатора С₁ также использовалась катушка индуктивности L=2.4 мкГн.

Указанные параметры элементов БНС рассчитаны по формулам (4), (5) после измерения величин R_A, X_A и обеспечивали полное согласование антенны в диапазоне 25.32 МГц.

Для сравнительной эффективности изготовлен образец антенны-прототипа. Экспериментально установлено, что при величине угла α менее 10^о практически невозможно обеспечить достижение положительного эффекта в сравнении с прототипом (настройка становится критичной, снижается степень возбуждения корпуса автомобиля). При угле α более 60^о неоправданно уменьшается контур тока, снижается сопротивление излучения, что также усложняет возможность настройки, и падает эффективность излучения антенны. Условие (6) также накладывает ограничение на минимальные размеры d и d' в случае установки дополнительных проводников 8.

В процессе исследований оценивался относительный выигрыш уровней принимаемых сигналов, создаваемых предложенной антенной (Е₃) и прототипом (Е_п) в диапазоне 25.32 МГц. Антенны последовательно устанавливали на заднем окне автомобиля и подключали к одному и тому же передатчику с выходной мощностью 2 Вт. В обоих случаях автомобиль оставался одинаково ориентирован относительно измерительного приемника, размещенного в дальней зоне (на удалении 3000 м).

Относительный выигрыш (Δ Е) рассчитывали по формуле
Δ Е(дБ)=Е₃ Е_п.

Для измерения ДН в обоих случаях автомобиль устанавливали на поворотную платформу. Отсчет уровней создаваемых полей выполнялся синхронно с фиксацией ориентации автомобиля на измерительный приемник.

Результаты измерений приведены на фиг. 7 и 8. Из полученных результатов следует, что в интервале рабочих частот выигрыш в уровнях создаваемых антеннами полей составляет 12.30 дБ (см. фиг. 7). Измеренные ДН на частоте 27 МГц (см. фиг. 8) показывают, что уровень поля, создаваемый предложенной антенной в азимутальной плоскости, превышает на 12.22 дБ уровень поля прототипа. Коэффициент равномерности ДН предложенной антенны К_р=Е_макс Е_мин, составил 10 дБ, у прототипа 20 дБ, т.е. выигрыш 10 дБ. Полученные результаты подтвердили возможность 2,5.3-кратного увеличения дальности устойчивого функционирования радиолинии (при одинаковых требованиях к энергетике) и практически неизменное качество связи при произвольной ориентации автомобиля относительно корреспондента.

Формула изобретения

1. АВТОМОБИЛЬНАЯ АНТЕННА, содержащая линейный излучатель, размещенный на поверхности или внутри стекла симметрично относительно вертикальной оси симметрии оконного проема и присоединенный первым концом к верхней металлической кромке оконного проема, а вторым концом к выходу блока настройки и согласования (БНС), содержащего реактивные элементы, вход которого подключен к центральному проводнику коаксиального фидера, внешний проводник которого присоединен к нижней металлической кромке оконного проема, отличающаяся тем, что линейный излучатель выполнен из n ≥ 2 отрезков проводника, радиально расходящихся от его второго конца, при этом выходом БНС является точка соединения двух реактивных элементов, другой конец одного из них является входом БНС, а конец другого реактивного элемента подключен к внешнему проводнику коаксиального фидера.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что угол между крайними отрезками проводника линейного излучателя составляет 10 60^o.

3. Антенна по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что введены два дополнительных отрезка проводника, короткозамыкающих верхнюю и нижнюю металлические кромки симметрично по обе стороны от линейного излучателя, при этом суммарная длина линейного излучателя, одного из дополнительных отрезков проводника и частей металлических кромок, заключенных между ними, не превышает 0,5λ_min, где λ_min- минимальная длина волны рабочего диапазона.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8