Приемная активная антенна

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для приема, усиления и фильтрации радиосигналов, в частности в качестве активной приемной антенны в аппаратуре потребителя. Технический результат - повышение технологичности изготовления и надежности приемной активной антенны. Сущность изобретения состоит в том, что активная антенна содержит щелевую связь антенного элемента с входом малошумящего усилителя. Это достигается путем выполнения в металлизированном слое внутренней полости подложки и в земляной поверхности платы малошумящего усилителя щелевидных отверстий связи одинаковой геометрической формы с соотношением ширины к длине щели соответственно 0,1...0,2, которые расположены избирательно под печатным проводником, а входная цепь усилителя выполнена в виде отрезка микрополосковой линии, который расположен под указанными отверстиями связи перпендикулярно им, и снабжена диодной сборкой, причем плата малошумящего усилителя электропроводно закреплена на металлизированной нижней поверхности подложки, обеспечивая нахождение щелевидного отверстия в земляной плоскости платы малошумящего усилителя под щелевидным отверстием в металлизированном слое внутренней полости подложки. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для приема, усиления и фильтрации радиосигналов, в частности в качестве активной приемной антенны в аппаратуре пользователей космических навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС/GPS).

Известна приемная активная антенна, выполненная в виде модуля, которая содержит поликарбонатный корпус, состоящий из защитного колпака и нижней крышки с элементами крепления к проводящему экрану, усилитель с фильтрами, антенный элемент и кабель с разъемом на конце, выполненные в виде единой сборки, причем усилитель с фильтрами закрыт металлическим экраном, антенный элемент с усилителем помещен внутри модульного корпуса, кабель выведен наружу, а место выхода кабеля из корпуса обжато механически. Эта конструкция не обеспечивает достаточную механическую прочность антенны. Не обеспечивается также достаточный коэффициент усиления при углах близких к экранной плоскости, что приводит к потере сигналов от спутников, находящихся вблизи горизонта. Антенна также недостаточно герметична в силу негерметичности мест соединений (Motorola GPS Products-On core User's Guide Revision 5.008/30/02, сайт фирмы Motorola: http://www.motorola.com/ru/).

Известна также приемная активная антенна, содержащая печатный проводник с керамической подложкой, малошумящий усилитель (МШУ) с керамическими фильтрами, коаксиальный кабель с высокочастотным соединителем на конце, крышку с элементами крепления к проводящему экрану, у которой отсутствуют крепежные отверстия в нижней крышке, и при креплении активной антенны к немагнитному экрану используется дополнительная стальная переходная пластина (GPS Antenna/Rev. 2.05 (8/18/97) сайт фирмы Motorola:http://www.motorola.com/ru/). Однако эта антенна не обеспечивает достаточную механическую прочность и надежность в работе, а также необходимое расширение диаграммы направленности.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой приемной активной антенне является приемная активная антенна, содержащая подложку в виде корпуса стаканообразной формы с металлизированной внутренней полостью с уступом, на вершине которой расположен печатный проводник антенного элемента, покрытый защитным радиопрозрачным слоем, малошумящий усилитель, расположенный на внутренней металлизированной поверхности подложки, а вывод коаксиального кабеля проложен через боковое металлизированное отверстие подложки, закрытой металлизированной изнутри крышкой с магнитом и резьбовой втулкой, которая закреплена в уступе внутренней полости подложки (патент РФ №2274934, опубл. 20.04.2006 г.). Вход малошумящего усилителя электрически соединен с печатным проводником антенного элемента с помощью перемычки, а вывод коаксиального кабеля уплотнен резиновым патрубком с внутренним и внешним выступами. Антенна обладает широкой диаграммой направленности за счет совмещения функций корпуса и керамической подложки, повышенной механической прочностью, надежностью и миниатюрностью. Однако связь печатного проводника антенного элемента с входом МШУ выполнена с помощью перемычки. Это требует выполнения тонкого отверстия в керамическом корпусе-подложке, что нетехнологично и усложняет процесс металлизации корпуса и порождает риск нарушения герметизации внутреннего объема корпуса антенны, в котором расположен МШУ, в процессе эксплуатации антенны.

В основу изобретения поставлена задача повышения технологичности изготовления и надежности приемной активной антенны.

Это достигается тем, что в металлизированном слое внутренней полости подложки и в земляной поверхности платы малошумящего усилителя выполнены щелевидные отверстия связи одинаковой геометрической формы с соотношением ширины к длине щели соответственно 0,1-:-0,2, расположенные избирательно под печатным проводником, а входная цепь усилителя выполнена в виде отрезка микрополосковой линии, который расположен под указанными отверстиями связи перпендикулярно им, и снабжена диодной сборкой, причем плата малошумящего усилителя электропроводно закреплена на металлизированной нижней поверхности подложки, обеспечивая нахождение щелевидного отверстия в земляной плоскости платы малошумящего усилителя под щелевидным отверстием в металлизерованном слое внутренней полости подложки.

На фиг.1 представлен общий вид заявляемой приемной активной антенны.

На фиг.2 представлен вид по стрелке «А».

На фиг.3 представлен общий вид приемной активной антенны в герметичном исполнении.

Приемная активная антенна (фиг.1) состоит из антенного элемента, включающего печатный проводник 1 и диэлектрическую подложку 2 с металлизацией нижней поверхности 3, в которой выполнено отверстие щелевидной формы 4а, платы малошумящего усилителя 5 с отверстием связи щелевидной формы 4б в земляной поверхности платы, ограничительной диодной сборки 6, фильтра 7, высокочастотного кабеля 8 с высокочастотным соединителем 9 на конце, резинового патрубка 10, крышки 11 с металлической пластиной 12, магнитом 13 и резьбовой втулкой 14.

Диэлектрическая подложка 2 антенного элемента выполнена в виде стаканообразного корпуса с экранной металлизированной внутренней поверхностью 3 с уступом и металлизированным отверстием в боковой стенке, на вершине которой расположен печатный проводник 1 произвольной формы. В металлизированном слое 3 имеется отверстие связи щелевидной формы 4а, которое расположено полностью под печатным проводником 1 и центр которого смещен относительно центра печатного проводника, а его минимальный размер (ширина щели) составляет 0,1...0,2 от максимального размера (длины щели). Подложка антенного элемента может быть выполнена как из высокопрочной керамики, так и из диэлектрического полимерного вещества. Второй вариант исполнения корпуса-подложки более дешевый, но менее прочный. Снаружи антенный элемент покрыт защитным радиопрозрачным слоем 15.

Малошумящий усилитель 5 выполнен на плате, в земляной поверхности которой имеется отверстие связи щелевидной формы 4б (щель), причем геометрическая форма отверстия связи 4б полностью идентична форме отверстия связи 4а в металлизированном слое 3 стаканообразного корпуса, а входная цепь МШУ выполнена в виде отрезка микрополосковой линии, который проходит под вышеупомянутыми щелями перпендикулярно им, пересекает их и заканчивается ограничительной диодной сборкой 6 (фиг.2).

Плата малошумящего усилителя закреплена с электрическим контактом на металлизированной нижней поверхности подложки (во внутренней полости стаканообразного корпуса-подложки) таким образом, что щелевидное отверстие связи 4б в земляной плоскости платы МШУ находится строго под щелевидным отверстием 4а в металлизированном слое 3 стаканообразного корпуса-подложки 2 и ничем от него не отделено. Площадь щелевидного отверстия связи 4б в земляной плоскости платы МШУ должна быть немного больше площади щелевидного отверстия 4а в металлизированном слое 3 подложки для компенсации технологического разброса на установку платы МШУ на нижней металлизированной поверхности подложки. Следовательно, превышение характерных размеров отверстия связи 4б над соответствующими размерами отверстия связи 4а должно определяться допуском на точность установки платы МШУ в корпусе-подложке антенны.

Расположение щелевидного отверстия связи 4а в нижнем металлизированном слое 3 подложки 2 относительно печатного проводника 1 (а следовательно, и расположение щели связи 4б на плате МШУ), размеры щелевидного отверстия и длина отрезка микрополосковой линии, выходящего за ширину щели находятся расчетным путем, в том числе и для случая приема сигналов круговой поляризации заданного направления вращения. В последнем случае печатный проводник 1 должен иметь конфигурацию, обеспечивающую излучение (прием) поля круговой поляризации, а щель должна располагаться избирательно относительно геометроической формы печатного проводника.

С целью фильтрации внеполосных помех в схему малошумящего усилителя включены фильтры, керамические или на поверхностных акустических волнах (ПАВ-фильтры). Применение ПАВ-фильтров предпочтительнее тогда, когда требуется увеличение подавления внеполосных помех, так как он может иметь большее число звеньев при меньших размерах, чем керамический фильтр. Однако такой ПАВ-фильтр обладает большими полосовыми потерями при относительно широкой (в несколько процентов) рабочей полосе частот и должен быть расположен после первого каскада усиления малошумящего усилителя из сображения минимизации коэффициента шума усилителя. Если же условия работы антенны таковы, что необходимо ограничить воздействие внеполосных помех уже на первый каскад усиления малошумящего усилителя, то необходимо применять керамический фильтр, расположенный на входе малошумящего усилителя, либо использовать оба фильтра, керамический и ПАВ-фильтр, расположив первый на входе малошумящего усилителя, а второй после первого каскада усиления.

Высокочастотный кабель 8 служит для соединения выхода малошумящего усилителя 5 с приемным устройством. Один конец высокочастотного кабеля пропущен через резиновый патрубок 10 и распаян к выходу платы малошумящего усилителя, а на другой конец припаен высокочастотный соединитель 9.

Резиновый патрубок 10 имеет специальные выступы для фиксации, плотно вставлен в металлизированное отверстие корпуса-подложки и служит для уплотнения вывода высокочастотного кабеля 8 из металлизированной внутренней полости корпуса-подложки.

Крышка 11 в основе своей выполнена путем свободной заливки заподлицо с нижней кромкой корпуса пространства, образованного металлической пластиной 12, краями уступа диэлектрического корпуса и боковой поверхностью кольцевого магнита 13, установленного по центру металлической пластины 12, самозатвердевающим полимерным составом, за счет чего формируется герметичное соединение крышки со стаканообразным корпусом. Для обеспечения надежного электрического контакта металлической пластины 12 с металлизацией 3 подложки и предотвращения затекания полимерного состава на плату МШУ при заливке металлическая пластина 12 должна быть предварительно припаяна по периметру к металлизации уступа корпуса, либо приклеена проводящим клеем.

Внутри кольцевого магнита 13 вмонтирована (прикреплена к проводящей пластине 12) резьбовая втулка 14. Магнит кольцевой формы 13 и резьбовая втулка 14 служат для крепления приемной активной антенны к экранной плоскости 16. Крепление с помощью резьбовой втулки 14 применяется, если проводящий экран выполнен из немагнитного металла, а с помощью магнита 13, если проводящий экран выполнен из магнитного металла.

При падении электромагнитной волны на антенный элемент, образованный печатным проводником 1 и диэлектрической подложкой 2 с металлизацией нижней поверхности 3, в нем возникают высокочастотные колебания, порождающие высокочастотные токи на токопроводящих поверхностях антенного элемента. Щель связи 4а в металлизации 3 подложки 2 антенного элемента расположена таким образом, что она пересекает токи в металлизации 3 подложки. За счет этого в щели 4а возникает поперечное электрическое поле, которое через расположенное строго под щелью 4а отверстие связи 4б в земляной плоскости платы МШУ возбуждает высокочастотные токи в микрополосковой линии входной цепи малошумящего усилителя, которые затем поступают во входной каскад малошумящего усилителя. В малошумящем усилителе 5 сигнал усиливается, фильтруется с помощью встроенного фильтра 7 и поступает на высокочастотный кабель 8, который в свою очередь соединяется с входом приемного устройства. Стоящая на входе малошумящего усилителя ограничительная диодная сборка 6 служит для защиты его от выхода из строя (выгорания) при наличии постороннего сигнала большой мощности (помехи). В отсутствии помехи большой мощности диодная сборка 6 не оказывает влияния на работу схемы МШУ, т.к. обладает бесконечно большим сопротивлением. Плата малошумящего усилителя 5 расположена внутри замкнутого объема, образованного металлизированной внутренней полостью корпуса-подложки 2 и металлизированной крышкой 11, и изолирована от прямого воздействия падающей электромагнитной волны.

Диаграмма направленности заявляемой антенны, как и в прототипе, расширена за счет приподнимания антенного элемента над экранной плоскостью 16 путем формования диэлектрической подложки с металлизированной нижней поверхностью в виде перевернутого стакана, на вершине которого располагается печатный проводник 1 произвольной формы, а также за счет наличия диэлектрического слоя на боковой поверхности стакана.

На фиг.3 представлен полностью герметичный вариант заявляемой антенны с выводом сигнала вниз, со стороны крышки. В этом случае в приемной активной антенне отсутствует боковое отверстие в корпусе подложке 2, резиновый патрубок 10 и магнит 13, а герметичный высокочастотный соединитель 9 герметично установлен на цельнометаллической крышке 11 и соединен внутри антенны с выходом платы МШУ с помощью короткого и тонкого кабеля 8. Крышка также электропроводно закреплена (запаяна) в уступе корпуса и в ней установлены резьбовые втулки 14 (минимум две) для надежного винтового крепления антенны на экранную плоскость 16, а по периметру ее выполнена канавка 17, залитая самозатвердевающим полимерным составом для обеспечения защиты места крепления крышки 11 к уступу корпуса-подложки 2. В таком варианте исполнения антенны выход антенны соединен с входом приемного устройства с помощью дополнительного (отдельного) кабеля.

1. Приемная активная антенна, содержащая антенный элемент, выполненный в виде печатного проводника, расположенного на вершине стаканообразной диэлектрической подложки с металлизированной внутренней полостью с уступом, покрытый снаружи защитным радиопрозрачным слоем, малошумящий усилитель, выполненный на плате с фильтрами, расположенными во внутренней металлизированной полости подложки, коаксиальный кабель с высокочастотным соединителем на конце, крышку с элементами крепления, закрепленную в уступе подложки, отличающаяся тем, что в металлизированном слое внутренней полости подложки и в земляной поверхности платы малошумящего усилителя выполнены щелевидные отверстия связи одинаковой геометрической формы с соотношением ширины к длине щели соответственно 0,1÷0,2, расположенные избирательно под печатным проводником, а входная цепь усилителя выполнена в виде отрезка микрополосковой линии, который расположен под указанными отверстиями связи перпендикулярно им, и снабжена диодной сборкой, причем плата малошумящего усилителя электропроводно закреплена на металлизированной нижней поверхности подложки, обеспечивая нахождение щелевидного отверстия в земляной плоскости платы малошумящего усилителя под щелевидным отверстием в металлизированном слое внутренней полости подложки.

2. Приемная активная антенна по п.1, отличающаяся тем, что вывод кабеля через металлизированное отверстие снабжен резиновым патрубком.

3. Приемная активная антенна по п.1, отличающаяся тем, что один из фильтров малошумящего усилителя выполнен на поверхностных акустических волнах.

4. Приемная активная антенна по п.1, отличающаяся тем, что высокочастотный соединитель герметично установлен снизу антенны на цельнометаллической крышке и соединен внутри антенны с выходом платы малошумящего усилителя коротким кабелем, а по периметру крышки выполнена канавка, залитая самозатвердевающим полимерным составом.