Антенна для сборки в составе автономного наземного блока обнаружения
Изобретение относится к антенной технике. Автономный наземный блок обнаружения (30) содержит антенну (2), расположенную в головной части (5) блока. Антенна (2) состоит из нижнего проводника (100) и верхнего проводника (102), оба из которых представляют собой круглые пластины, установленные в горизонтальной плоскости. Стержень антенны (204) имеет электрическое соединение с верхним проводником (102). В нижнем проводнике (100) имеется отверстие, через которое проходит стержень антенны (204), соединяющийся с цепью управления антенны на печатной плате (104), расположенной на обратной стороне нижнего проводника (100). В месте прохождения стержня антенны (204) через нижний проводник (100) установлено изолирующее кольцо (106) для электрической изоляции антенны (стержня 204) от нижнего проводника (100). Между верхним проводником (102) и нижним проводником (100) установлены два закорачивающих штыря (205). Закорачивающие штыри (20) располагаются диаметрально противоположно напротив стержня антенны (204). Предусмотрена диэлектрическая прокладка (202) с вырезом под шпонку (112), которая может быть установлена для предотвращения проворачивания. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к антенне, имеющей конструкцию, позволяющую размещать ее внутри автономного наземного блока обнаружения.
Автономные наземные блоки обнаружения используются в составе систем охраны инфраструктурных объектов и защиты персонала. Как правило, по периметру охраняемого объекта или по другой границе устанавливаются несколько автономных наземных блоков обнаружения. В состав каждого автономного наземного блока обнаружения входит не менее одного датчика для контроля за протеканием определенного физического явления в районе установки блока, а также во многих случаях - средства передачи сигналов от блока, зависящих от выходных сигналов датчика. Например, блок обнаружения может иметь в своем составе сейсмический датчик для регистрации колебаний земли, свидетельствующих о перемещении человека, транспортного средства или иного объекта. В состав блока обнаружения могут входить акустические датчики, магнитометры, тепловые, светочувствительные и другие датчики, каждый из которых выполняет аналогичную функцию - обнаружение присутствия или движения человека или объекта в районе установки блока обнаружения.
Как правило, автономные наземные блоки обнаружения объединяются в одну сеть и, например, подключаются к центральному блоку управления, позволяющему контролировать выходные сигналы с каждого блока и обнаруживать присутствие или движение людей и (или) объектов в пределах территории охраняемого объекта.
Автономные наземные блоки обнаружения имеют штыревую антенну для связи между собой и (или) с центральным блоком управления. Использование штыревых антенн обуславливается простотой их конструкции и всенаправленной диаграммой излучения. При этом автор настоящего изобретения признает, что штыревые антенны могут иметь определенные недостатки при использовании совместно с автономными наземными блоками обнаружения. Во-первых, штыревые антенны, как правило, выступают вертикально над датчиком, что усложняет их маскировку. Во-вторых, штыревые антенны и (или) наружный РЧ-разъем могут быть повреждены, особенно в опасных условиях установки автономных наземных блоков обнаружения. В-третьих, штыревые антенны чувствительны к воздействию ветра, который может вызывать небольшие колебания наземного блока; такие колебания могут быть неправильно интерпретированы как сейсмическая активность, что может стать причиной ложных тревог и (или) срабатываний.
Более удобной представляется такая антенна для автономного наземного блока обнаружения, которая была бы менее заметной и не создавала больших физических помех, но при этом имела бы прочную конструкцию и легко монтировалась. Цель настоящего изобретения состоит в решении, по крайней мере, части из перечисленных проблем.
Предлагается антенна, адаптированная для монтажа на автономный наземный блок обнаружения и состоящая из следующих частей: первый проводник, формирующий первую плоскую поверхность; второй проводник, формирующий вторую плоскую поверхность, причем вторая плоская поверхность располагается в значительной степени параллельно первой плоской поверхности; токопроводящий штырь антенны, соединенный с первым проводником, выступающий между ним и вторым проводником и разделяющий их в пространстве; и один или несколько закорачивающих штырей, соединенных с первым проводником и выступающих между ним и вторым проводником, причем такой закорачивающий штырь (штыри) имеет электрическое соединения с первым и вторым проводниками.
Таким образом, получается вертикальная антенна с емкостной нагрузкой в верхней части. Данная конструкция антенны имеет преимущество, т.к. она обычно короче штыревой антенны, используемой для подобных задач, но имеет такой же коэффициент полезного действия. Это повышает незаметность и степень маскировки автономного наземного блока обнаружения. Антенна с верхней нагрузкой может быть размещена и внутри блока, при этом антенна будет лучше защищена от злонамеренного или случайного повреждения. Например, в случае наезда транспортного средства такая антенна не будет повреждена. Антенна с верхней нагрузкой меньше подвержена и ветровым нагрузкам, особенно если ее удастся разместить полностью в кожухе наземного блока.
Токопроводящий стержень антенны лучше размещать таким образом, чтобы электрические токи проходили от него к первому проводнику. Токопроводящий стержень антенны лучше изолировать от второго проводника, который обычно имеет нулевой потенциал. Экспериментальным путем установлено, что использование одного или нескольких закорачивающих штырей может увеличить к.п.д. антенны. В частности, закорачивающие штыри могут облегчить сопряжение антенны с управляющей цепью. Повышение к.п.д. антенны может быть выявлено в ходе измерения коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН).
Токопроводящий штырь антенны может выступать из отверстия во втором проводнике, а между вторым проводником и токопроводящим штырем антенны может быть установлен диэлектрик.
Антенна может включать не менее двух закорачивающих штырей, располагающихся на противоположных сторонах от токопроводящего штыря антенны. Например, закорачивающие штыри могут располагаться диаметрально противоположно друг другу на обеих сторонах трубчатого токопроводящего штыря антенны. Выявлено, что такая конструкция повышает к.п.д. антенны данного размера.
Материал закорачивающих штырей может отличаться от материала проводящего штыря антенны. В одном варианте закорачивающие штыри изготовлены из того же материала, что и первая и вторая проводящие поверхности. Закорачивающие штыри могут быть изготовлены из латуни, а токопроводящий штырь антенны - из меди. Экспериментальным путем установлено, что указанная конфигурация может повысить к.п.д. антенны для данного объема поля антенны.
Рекомендуется предусмотреть антенный контроллер, для которого выполняется электрическое соединение с токопроводящим штырем, по которому токи могли бы проходить к первому проводнику. Антенный контроллер может быть выполнен на печатной плате, которая может крепиться ко второму проводнику и располагаться на противоположной стороне относительно первого проводника. При креплении печатной платы снизу второго проводника повышается надежность и компактность конструкции антенны.
В конструкцию антенны может входить твердая диэлектрическая прокладка, располагающаяся между первой и второй плоскими поверхностями. Твердый диэлектрик предпочтительно должен иметь более высокую диэлектрическую постоянную, чем воздух. Это позволяет добиться лучшей изоляции первой плоской поверхности от второй, что, в свою очередь, уменьшает физический размер антенны. Применение твердого диэлектрика может также повысить прочность и стойкость антенны к воздействию механических сил, которые в противном случае могли бы вызвать изгибание или искривление первой и второй плоских поверхностей. Твердый диэлектрик может быть изготовлен из политетрафторэтилена (ПТФЭ).
Твердый диэлектрик преимущественно должен иметь отверстие для вывода токопроводящего стержня. Такая конструкция облегчает процесс сборки: твердый диэлектрик можно устанавливать на токопроводящий стержень.
Твердый диэлектрик может быть снабжен шпонкой, которая предотвращает его проворачивание. Это может быть особенно важно при наличии более одного токопроводящего стержня, поскольку твердый диэлектрик не сможет провернуться без повреждения штырей. Благодаря наличию шпонки исключается вероятность проворачивания твердого диэлектрика, а следовательно, и повреждения токопроводящих стержней.
В состав антенны может входить хомут для фиксации твердого диэлектрика. Хомут предотвращает смещение твердого диэлектрика в вертикальном направлении (т.е. в направлении перпендикулярно первой и второй плоским поверхностям). Возможно применение хомута, стягивающего все элементы антенны. В одном варианте хомут может быть встроен в крышку необслуживаемого наземного датчика.
Твердый диэлектрик может имеет фланец для обжима хомутом. Хомут может также иметь приспособление для фиксации шпонкой, которое можно задействовать совместно с соответствующим приспособлением на твердом диэлектрике. Таким образом, хомут предотвращает вертикальное смещение и проворачивание твердого диэлектрика. Условия применения могут вызвать необходимость в предотвращении проворачивания твердого диэлектрика во избежание возникновения напряжений в закорачивающих стержнях, которые могут крепиться к первой и второй плоским поверхностям пайкой.
Предпочтительная рабочая частота лежит в диапазоне от 800 до 1000 МГц. Антенна предназначена для работы предпочтительно в диапазоне от 825 до 950 МГц. Антенна может использоваться на разных частотах в разных регионах мира.
В некоторых вариантах осуществления изобретения рабочая частота может быть ниже 825 МГц. С уменьшением частоты может возникнуть необходимость уменьшить и физический размер элементов антенны для получения такого же к.п.д. Это означает, что в мобильном (переносном) устройстве хомут должен будет фиксировать элементы с большей массой.
Диапазон передачи антенны может быть принят не менее чем в два раза большим дальности обнаружения. Таким образом, если два автономных наземных блока обнаружения находятся друг от друга на расстоянии, равном дальности передачи, то любая сейсмическая активность, происходящая между блоками, будет обнаружена по крайней мере одним из них.
Другим отличительным признаком изобретения является наличие в составе автономного наземного блока обнаружения кожуха, в котором размещается антенна описанным выше способом. Автономный наземный блок обнаружения имеет конструкцию, предусматривающую предпочтительное его крепление к земле для обеспечения возможности регистрации любых сейсмических колебаний. При размещении антенны внутри кожуха обеспечивается ее защита. Это, в свою очередь, повышает надежность автономного наземного блока обнаружения по сравнению с блоком с наружной штыревой антенной. Кроме того, это может облегчить маскировку блока.
Автономный наземный блок обнаружения предпочтительно включает в себя дополнительно не менее одного датчика, регистрирующего физическое явление в районе установки блока, а также антенну для передачи данных о регистрируемом физическом явлении. Автономный наземный блок обнаружения может также иметь в своем составе карту памяти для хранения выходных данных, получаемых от датчика. Блок может иметь головную часть и корпус с резьбой на наружной поверхности. Головная часть может иметь части для соединения с приспособлением для вращения блока при заделывании в землю. Предпочтительный тип датчика - сейсмический. Расстояние, отделяющее головную часть и первый проводник, может быть выбрано таким образом, чтобы свести к минимуму расстройку антенны.
Другим вариантом предлагаемого изобретения является способ сборки автономного наземного блока обнаружения, содержащий следующие шаги: выполнение электрического соединения между антенным контроллером и антенной, состоящей из первого проводника, формирующего первую плоскую поверхность, второго проводника, формирующего вторую плоскую поверхность, при этом вторая плоская поверхность располагается в значительной степени параллельно первой плоской поверхности, токопроводящего штыря антенны, соединенного с первым проводником, выступающим между ним и вторым проводником и разделяющим их; и одного или нескольких закорачивающих штырей, соединенного с первым проводником и выступающим между ним и вторым проводником, причем такой закорачивающий штырь (штыри) имеет электрическое соединение с первым и вторым проводниками; установка антенного контролера и антенны внутри кожуха ННД и установка крышки на кожух таким образом, чтобы антенны была закрыта.
Еще одним вариантом осуществления изобретения является антенна, состоящая из первого проводника, формирующего первую плоскую поверхность; второго проводника, формирующего вторую плоскую поверхность, при этом вторая плоская поверхность располагается в значительной степени параллельно первой плоской поверхности; токопроводящего штыря антенны, соединенного с первым проводником, выступающим между ним и вторым проводником; и прокладки из твердого диэлектрика, расположенной между первой и второй плоскими поверхностями; а также хомута для фиксации твердого диэлектрика, имеющего приспособления для фиксации шпонкой для предотвращения проворачивания диэлектрика.
Использование твердого диэлектрика позволяет уменьшить физические размеры антенны с верхней нагрузкой для заданного объема поля и коэффициента полезного действия антенны. Применение твердого диэлектрика может также повысить прочность и стойкость антенны к действию механических сил, которые в противном случае могли бы вызвать изгибание или искривление первой и второй плоских поверхностей. Хомут предотвращает смещение твердого диэлектрика в вертикальном направлении (т.е. в направлении перпендикулярно первой и второй плоским поверхностям). Возможно применение хомута, стягивающего все элементы антенны. Например, с помощью хомута можно зафиксировать твердый диэлектрик на одном из проводников. Твердый диэлектрик может иметь фланец для крепления к зажиму. После установки хомут может фиксировать твердый диэлектрик к кожуху. При помощи хомута к кожуху может крепиться и второй проводник.
Ниже описаны варианты осуществления настоящего изобретения, которые приводятся лишь в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи:
Фиг. 1 - схематический вид автономного наземного блока обнаружения сбоку, вариант осуществления изобретения.
Фиг. 2 - сечение А-А автономного наземного блока обнаружения, представленного на Фиг. 1.
Фиг. 3 - изображение в разобранном виде автономного наземного блока обнаружения, представленного на Фиг. 1.
Фиг. 4А - вид в перспективе твердого диэлектрика, используемого в антенне в варианте осуществления изобретения.
Фиг. 4Б - вид сверху твердого диэлектрика, изображенного на Фиг. 4А.
Фиг. 4В - вид сбоку твердого диэлектрика, изображенного на Фиг. 4А.
Фиг. 4Г - разрез А-А твердого диэлектрика, изображенного на Фиг. 4 В.
Фиг. 5А - вид в перспективе фиксирующего кольца, используемого в антенне в варианте осуществления изобретения.
Фиг. 5Б - вид сверху фиксирующего кольца, изображенного на Фиг. 5А.
Фиг. 5В - вид сбоку фиксирующего кольца, изображенного на Фиг. 5А.
Фиг. 5Г - вид снизу фиксирующего кольца, изображенного на Фиг. 5А, и Фиг. 6 - вид в поперечном разрезе антенны, устанавливаемой в автономном наземном блоке обнаружения, в варианте осуществления изобретения.
На Фиг. 1-3 показан автономный наземный блок обнаружения 30 для применения в составе системы охраны или наблюдения. Автономный наземный блок обнаружения состоит из корпуса 6 и головной части 5. Корпус 6 и головная часть 5 вместе образуют кожух, внутри которого размещены другие элементы блока. В настоящем варианте осуществления изобретения в отсеке внутри корпуса 6 находится батарея питания 7 блока обнаружения. Кроме того, внутри автономного наземного блока обнаружения находится датчик 3 и антенна 2. В настоящем варианте осуществления изобретения датчик 3 и антенна 2 размещены в головной части 2 блока. Таким образом, антенна 2 находится выше уровня земли, когда блок установлен в земле. На наружной поверхности корпуса 6 имеется резьба. Установка автономного наземного блока обнаружения производится путем вращения блока датчиков вокруг своей оси, при этом наружная резьба на корпусе блока обеспечивает затягивание блока в землю на такую глубину, при которой головная часть 2 соприкасается с поверхностью земли. Таким образом, после установки или размещения корпус 6 находится ниже уровня земли.
Головная часть 2 имеет углубления 26 (см. Фиг. 1) для облегчения вращения автономного наземного блока обнаружения вокруг своей оси при его установке в землю. В некоторых случаях может быть предусмотрено специальное приспособление, фиксирующееся в данных углублениях, для облегчения ввинчивания автономного наземного блока обнаружения в землю.
Как следует из Фиг. 3, антенна 2 размещается преимущественно в головной части блока 5. В состав антенны входит нижний проводник 100, который крепится к одной стороне печатной платы 201. Схема управления антенны находится на другой стороне печатной платы 201, к печатной плате подключен также датчик 3. Для стягивания различных элементов антенны 2 предусмотрено фиксирующее кольцо 4. Имеются стопорные кольца 8 и 9, предназначенные для стягивания головной части 5 и корпуса 6 после сборки всех внутренних элементов. В некоторых конструкциях может использоваться одно стопорное кольцо.
Дополнительные сведения об устройстве антенны 2 представлены на Фиг. 6. Антенна 2 состоит из нижнего проводника 100 и верхнего проводника 102, оба из которых представляют собой круглые медные пластины, установленные горизонтально (по отношению к нормальной рабочей ориентации блока). Стержень антенны (204) из латуни имеет электрическое соединение с верхним проводником (102). В нижнем проводнике (100) имеется отверстие, через которое проходит стержень антенны (204), соединяющийся с цепью управления антенны на печатной плате (104), расположенной на обратной стороне нижнего проводника (100). В месте прохождения стержня антенны 204 через нижний проводник 100 установлено изолирующее кольцо 106 для электрической изоляции антенны (стержня 204) от нижнего проводника 100.
Нижний проводник 100 соединен с землей, а между верхним проводником 205 и нижним проводником 102 установлены два закорачивающих штыря 100. Закорачивающие штыри (205) располагаются диаметрально противоположно напротив стержня антенны (204).
Между верхним проводником 100 и нижним проводником 102 установлена диэлектрическая прокладка 202. Диэлектрическая прокладка 202 имеет отверстия для пропуска стержня антенны 204 и закорачивающих штырей 205.
В процессе работы схема управления антенной создает ток возбуждения в стержне антенны 102, который течет в направлении к верхнему проводнику 102. Закорачивающие штыри 205 проводят ток к нижнему проводнику 100, с которого ток уходит в землю. Экспериментальным путем установлено, что такая конструкция позволяет повысить к.п.д. антенны при выполнении задач, для которых применяется автономный наземный блок обнаружения.
Дополнительные сведения о диэлектрической прокладке 202 приведены на Фиг. 4А-Г. Диэлектрическая прокладка 202 имеет цилиндрическую форму и отверстия 108 для пропуска стержня антенны 204 и закорачивающих штырей 205. В нижней части прокладки 202 (если смотреть в нормальной рабочей ориентации антенны 2) имеется фланец 110 с вырезом под шпонку 112. Фланец 110 и вырез под шпонку 112 предназначены для установки фиксирующего кольца 4, подробно о данных элементах см. Фиг. 5А-Г.
Фиксирующее кольцо 4 насаживается на диэлектрическую прокладку 202, кольцо 4 имеет поверхность 114 с зацепляющими зубцами 116 для зацепления с фланцем 110. Кроме того, имеется шпонка 118, которая входит в вырез 112 во фланце 110 и предотвращает проворачивание прокладки 202. Установленное фиксирующее кольцо 4 не позволяет прокладке 202 вращаться и смещаться в вертикальной плоскости и предотвращает повреждение паяных соединений между штырем и проводниками и между закорачивающими штырями и проводниками.
1. Антенна, содержащая:
первый проводник, формирующий первую плоскую поверхность;
второй проводник, формирующий вторую плоскую поверхность, причем вторая плоская поверхность располагается в значительной степени параллельно первой плоской поверхности;
токопроводящий штырь, соединенный с первым проводником, выступающий между ним и вторым проводником;
твердая диэлектрическая прокладка между первой и второй плоскими поверхностями; и хомут для неподвижной фиксации твердого диэлектрика, в котором имеется приспособление для фиксации шпонкой для предотвращения его проворачивания.
2. Антенна по п. 1, в которой твердый диэлектрик имеет фланец для обжима хомутом.
3. Антенна по п. 1, дополнительно содержащая:
один или несколько закорачивающих штырей, соединенных с первым проводником и проходящих между ним и вторым проводником, причем один или несколько закорачивающих штырей имеют электрическое соединение с первым и вторым проводниками.
4. Антенна по п. 3, характеризующаяся тем, что токопроводящий штырь антенны имеет электрическое соединение с первым проводником и электрически изолирован от второго проводника.
5. Антенна по п. 4, характеризующаяся тем, что токопроводящий штырь антенны проходит через отверстие во втором проводнике, между вторым проводником и токопроводящим штырем антенны установлен диэлектрик.
6. Антенна по п. 3, характеризующаяся тем, что она имеет не менее двух закорачивающих штырей, располагающихся на противоположных сторонах токопроводящего штыря антенны.
7. Антенна по п. 3, характеризующаяся тем, что материал одного или более закорачивающих штырей отличается от материала токопроводящего штыря антенны.
8. Антенна по п. 1, содержащая антенный контроллер, имеющий электрическое соединение с токопроводящим штырем антенны, по которому электрические токи могут течь к первому проводнику.
9. Антенна по п. 8, в которой на печатной плате имеется антенный контроллер, печатная плата крепится к противоположной стороне второго проводника к первому проводнику.
10. Антенна по п. 1, характеризующаяся тем, что второй проводник антенны имеет постоянное электрическое напряжение.
11. Антенна по п. 1, характеризующаяся тем, что твердый диэлектрик имеет отверстие для пропуска токопроводящего стержня.
12. Антенна по п. 1, характеризующаяся тем, что рабочая частота лежит в диапазоне от 800 до 1000 МГц.
13. Автономный наземный блок обнаружения, содержащий кожух для размещения внутри него антенны по п. 1.
14. Автономный наземный блок обнаружения по п. 13, дополнительно содержащий не менее одного датчика для регистрации физического явления в районе установки блока, при этом антенна передает данные о регистрируемом физическом явлении.
