Антенна

 

Изобретение относится к антенной технике и направлено на упрощение схемы согласования антенны в результате оптимизации размеров электропроводных штырей, а также за счет оптимального размещения их в раскрыве антенны при одновременном сохранении симметрии диаграммы направленности антенны и достижения максимального коэффициента усиления. Антенна содержит металлический экран (МЭ) 1 и диск (Д) 2, установленные параллельно друг другу и разделенные диэлектриком 3, коаксиальную линию передачи (КЛП) 4, внутренний проводник 5 которой соединен с центром Д2, а внешний проводник 6 соединен с МЭ 1, настроечные элементы в виде электропроводных штырей (ЭШ) 8, соединяющих Д2 и МЭ 1, обтекатель 9 из радиопрозрачного материала, установленный на МЭ 1 и закрывающий Д2 и настроечные элементы, и крепление 10, обеспечивающее электрический контакт МЭ 1 с установочной поверхностью объекта 11, кроме того, ЭШ 8 расположены равномерно по периметру Д 2, при этом расстояние между любыми двумя соседними ЭШ 8 должно быть не менее λ/4, где λ - длина волны в свободном пространстве, причем высота ЭШ 8 h = (0,014÷0,02)λ, а диаметр d = (4,2·10^-3÷5,2·10^-3)λ. 5 ил.

Изобретение относится к антенной технике, предназначено для использования в качестве бортовой антенны, обладающей направленным равномерным излучением в горизонтальной (азимутальной) плоскости, и может быть использовано в системах радиосвязи между подвижными объектами, в частности для передачи или приема в системе радиотелефонной сотовой связи.

Известна антенна, содержащая металлический диск, расположенный над металлическим экраном, металлический цилиндрический короткозамыкатель, соединяющий центр металлического диска с металлическим экраном, штыревой возбуждающий зонд, первый конец которого подключен к металлическому диску, пассивный согласующий элемент, расположенный между металлическим диском и металлическим экраном, питающий фидер, внутренний проводник которого подключен к второму концу штыревого возбуждающего зонда, а внешний к металлическому экрану [1] Однако известная антенна обладает следующими недостатками: асимметрий поля в раскрыве антенны и, следовательно, асимметрией диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости из-за конструктивного вынесения возбуждающего элемента к краю радиального волновода, что автоматически ухудшает характеристики антенны в целом; низким коэффициентом усиления из-за уменьшения габаритов антенны за счет введения пассивного согласующего элемента; низкой эксплуатационной надежностью из-за малой механической прочности ее конструкции.

Известна антенна, содержащая металлический экран, диск из проводящего материала, установленный параллельно металлическому экрану, центральный электропроводный штырь, расположенный между диском и экраном, коаксиальную линию передачи, содержащую внутренний проводник, соединенный одним концом с центральным электропроводным штырем и окруженный диэлектриком, и внешний проводник, имеющий фланец с резьбой, который соединен с металлическим экраном, и настроечные элементы, выполненные в виде периферийных электропроводных штырей, соединяющих диск с экраном [2] Недостатками данной антенны являются сложность согласующего устройства антенны, а также низкая эксплуатационная надежность из-за низкой механической прочности антенны в наиболее критической зоне (края антенны).

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой антенне является антенна, содержащая металлический экран и диск из проводящего материала, установленные параллельно друг другу и разделенные диэлектриком, коаксиальную линию передачи, внутренний проводник которой соединен с центром диска, а внешний проводник снабжен фланцем, посредством которого соединен с металлическим экраном, настроечные элементы в виде электропроводных штырей, соединяющих диск и металлический экран, обтекатель из радиопрозрачного материала, установленный на металлический экран, закрывающий диск и настроечные элементы, и крепление, обеспечивающее электрический контакт металлического экрана с установочной поверхностью объекта [3] Недостатком данной антенны является сложность согласования из-за неопределенности размеров электропроводных штырей, а также неопределенности их расположения в раскрыве антенны, что в свою очередь ведет к асимметрии диаграммы направленности антенны и снижению коэффициента усиления.

Технический результат изобретения заключается в упрощении согласования антенны в результате оптимизации размеров настроечных элементов - электропроводных штырей, а также за счет оптимального размещения их в раскрыве антенны, при одновременном сохранении симметрии диаграммы направленности антенны и достижении максимального коэффициента усиления.

Это достигается тем, что у антенны электропроводные штыри расположены равномерно по периметру диска из проводящего материала, при этом расстояние между любыми двумя соседними электропроводными штырями должно быть не менее λ/4, где λ длина волны в свободном пространстве, причем высота электропроводных штырей h = (0,014÷0,02)λ, а диаметр d = (4,2·10^-3÷5,2·10^-3)λ.

На фиг. 1 изображена антенна, вид сбоку, разрез; на фиг.2 то же, вид сверху; на фиг.3 эквивалентная схема антенны; на фиг.4 то же при условии согласования; на фиг.5 экспериментальная зависимость КСВН от параметров периферийных электропроводных штырей.

Антенна содержит металлический экран 1 и диск из проводящего материала 2, установленные параллельно друг другу и разделенные диэлектриком 3, коаксиальную линию передачи 4, внутренний проводник 5 которой соединен с центром диска, а внешний проводник 6 снабжен фланцем, посредством которого соединен с металлическим экраном, при этом внутренний проводник и внешний проводник коаксиальной линии разделены диэлектриком 7, настроечные элементы в виде электропроводных штырей 8, соединяющих диск и металлический экран, обтекатель 9 из радиопрозрачного материала, установленный на металлический экран, закрывающий диск и настроечные элементы, и крепление 10, обеспечивающее электрический контакт металлического экрана с установочной поверхностью объекта 11, кроме того электропроводные штыри расположены равномерно по периметру диска из проводящего материала, при этом расстояние между любыми двумя соседними электропроводными штырями должно быть не менее l/4 где λ - длина волны в свободном пространстве, причем высота электропроводных штырей h = (0,014÷0,02)λ а диаметр d = (4,2·10^-3÷5,2·10^-3)λ (фиг.1, фиг.2).

Предлагаемая антенна работает следующим образом.

Диск из проводящего материала совместно с металлической поверхностью экрана представляет собой радиальную линии передачи эквивалентной длины L_экв= λ/4. Периметр радиальной линии представляет собой излучающий раскрыв и при малых величинах h ≪ λ (что требуется для создания маловыступающей, слабо подверженной актам вандализма, т.е. с высокими эксплуатационными характеристиками антенны) имеет ярковыраженный импеданс емкостного характера.

Структура электромагнитного поля в круговом излучающем раскрыве типа "кольцо" имеет вид, обеспечивающий нулевое излучение по нормали к металлическому диску и максимум излучения в плоскости экрана. Диаметр антенны выбирается равным D = λ/2, что обеспечивает максимальный коэффициент усиления. Диаграмма направленности имеет форму диаграммы направленности несимметричного λ/4 вибратора.

Антенна с таким образом выбранным диаметром и запиткой в центре диска является радиальным волноводом, что обеспечивает трансформацию активного сопротивления излучения в активное сопротивление в точке соединения коаксиальной линии (коаксиального разъема, кабеля) с радиальным волноводом, что при определенных условиях обеспечивает оптимальное согласование антенны.

При достаточно малой высоте радиального волновода эквивалентное комплексное сопротивление излучающей апертуры состоит из параллельно включенных активной составляющей R_изл и краевой емкости C. Обе величины являются f(h).

Для придания этому комплексному сопротивлению излучающего раскрыва характера активного сопротивления необходимо включить в раскрыв антенны индуктивные элементы. Роль индуктивных элементов выполняют настроечные элементы электропроводные штыри, обеспечивающие жесткость и механическую прочность конструкции.

В результате антенну можно представить в виде эквивалентной схемы (фиг. 3), где Z_o волновое сопротивление коаксиальной линии передачи, λ/4 длина радиального волновода, C краевая емкость антенны, L - индуктивность настроечных элементов и R_изл активное сопротивление излучающего раскрыва.

Так как в емкостных и индуктивных элементах активные потери практически равны нулю, то ρ_экв контура → ∞ и эквивалентная схема может быть представлена в виде, который изображен на фиг.4, где Z_o волновое сопротивление коаксиальной линии передачи, λ/4 длина радиального волновода, R_изл - активное сопротивление излучающего раскрыва и Z_{рад.вол.} волновое сопротивление радиального волновода 377 Ом. Тогда условие согласования наступает при соответствующем выборе размеров электропроводных штырей: высоты h и диаметра d, обеспечивающих выполнение равенства R_изл= Z²_{рад.вол.}/Z_o. Такое условие согласования обеспечивают следующие соотношения размеров для электропроводных штырей: высота h = (0,014÷0,02)λ , а диаметр d = (4,2·10^-3÷5,2·10^-3)λ, где l длина волны в свободном пространстве, что подтверждается экспериментальным графиком зависимости КСВН на резонансной частоте от нормированной высоты штырей (h/λ), представленным на фиг.5. Для выполнения согласования антенны на заданной частоте (λ_зад.= 2D) в указанном интервале изменения высоты штырей их диаметр изменяется в интервале d = (4,2·10^-3÷5,2·10^-3)λ. При этом максимальному значению высоты соответствует максимальное значение диаметра штырей и наоборот.

Принципиальным является выбор числа конструктивных элементов (электропроводных штырей) индуктивностей компенсирующих суммарную емкость раскрыва. Для обеспечения "прозрачности" излучающего раскрыва необходимо, чтобы линейное расстояние между любыми двумя соседними штырями удовлетворяло соотношению S ≥ λ/4. Для выполнения этого неравенства требуется разместить равномерно по периметру диска 5, 6 элементов. Такое размещение электропроводных штырей обеспечивает конструктивную прочность антенны с одновременным сохранением симметрии диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. В качестве диэлектрического заполнения радиальной линии можно использовать воздух, что обеспечивает минимум потерь в такой одночастотной маловыступающей антенне.

Для защиты от воздействия метеоосадков антенна может быть закрыта декоративным диэлектрическим обтекателем.

Примером исполнения может служить антенна, изготовленная для диапазона частот 840 870 Мгц, имеющая следующие размеры: диаметр электропроводного диска D 155 мм; высота электропроводных штырей h 6 мм; диаметр штырей d 1,5 мм; количество штырей 5 шт. Простая конструкция предлагаемой антенны может быть смонтирована из простых в изготовлении деталей и узлов: экран 1 и диск 2 могут быть изготовлены, например, штамповкой; электропроводные штыри 8 могут быть изготовлены на токарном автомате; в качестве коаксиальной линии 4 могут быть использованы стандартные ВЧ разъемы и кабели;
для присоединения металлического экрана 1 к установочной поверхности 11 могут быть использованы стандартные крепежные элементы 10;
диэлектрический обтекатель 9 может быть изготовлен посредством литья из пластмассы и т.д.

Элементы антенны 1, 2, 4, 8 в соответствии с фиг.1 и 2 могут быть соединены между собой посредством резьбового соединения, пайкой или сваркой. Простая конструкция антенны и вышеперечисленные способы изготовления обеспечивают как повторяемость ее геометрических размеров, так и ее электрических параметров.

Испытания антенны показали надежность данной конструкции и соответствие следующим электрическим требованиям: диаграмма направленности равномерна в азимутальной плоскости; форма диаграммы направленности подобна диаграмме направленности несимметричного четвертьволнового вибратора [4] КСВН в рабочей полосе частот ≅ 2. С учетом широкого развития сотовых телефонных сетей, в том числе с учетом резкого увеличения числа автомобильных абонентских аппаратов, возможна установка таких антенн, закрытых малогабаритным декоративным обтекателем, на этапе изготовления автомобиля.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1467628, кл. H 01 Q 1/38, 1987.

2. Патент N 4635068, США, публикация 6 января 1987 г. МКИ4 H 01 Q 9/38, НКИ 343-749.

3. European patent application N 0 117 017 Al, "Low-profile omni-antenna", publication 29.08.04, H 01 Q 1/28.

4. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. М. Связь, 1972, с.123.

Формула изобретения

Антенна, содержащая металлический экран и диск из проводящего материала, установленные параллельно друг к другу и разделенные диэлектриком, коаксиальную линию передачи, внутренний проводник которой соединен с центром диска, а внешний проводник снабжен фланцем, посредством которого соединен с металлическим экраном, настроечные элементы в виде электропроводных штырей, соединяющих диск и металлический экран, и крепление, обеспечивающее электрический контакт металлического экрана с установочной поверхностью объекта, отличающаяся тем, что электропроводные штыри расположены равномерно по периметру диска из проводящего материала, при этом расстояние между любыми двумя соседними электропроводными штырями должно быть не менее λ/4, где λ - длина волны в свободном пространстве, причем высота электропроводных штырей h = (0,014-0,02)λ, а диаметр d = (4,2·10^-3÷5,2·10^-3)λи

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5