CZ14541U1 - Sroubovicová anténa s radiálním vyzařováním - Google Patents

Description

Technické řešení se týká šroubovicové antény s radiálním, to je všesměrovým vyzařováním, určené zejména pro přenosné a mobilní radiostanice. Anténu tvoří půlvlnný zářič ve tvaru šroubovice, navinutý elektrickým vodičem, to je drátem resp. lankem, na nosné trubce nebo tyči. Zářič je napěťově napájený na jeho jednom konci nesymetrickým stíněným vodičem, to je koaxiálním kabelem o impedanci 50 Ω nebo 75 Ω. Anténa je vhodná pro amatérská pásma VKV, zejména v rozsahu 3,5 MHz až 250 MHz.

Dosavadní stav techniky

Šroubovicové antény se používají u ručních radiostanic s frekvenční modulací a také v pásmu GSM, určeném pro mobilní telefony. Je známo, že účinnost šroubovicových antén s radiálním, to je kolmým vyzařováním není tak nepříznivá, aby omezovala jejich systémové používání na pásmech VKV. Nepracují sice se stejnou účinností jako klasické prutové čtvrtvlny, tento handicap však vyvažují malými rozměry, odolností proti vnějším vlivům i nešetrnému zacházení.

Šroubovicové antény vykazují dvojí způsob vyzařování a to axiální resp. osový, to je ve směru podélné osy šroubovice nebo radiální, to je kolmo k podélné ose šroubovice. Šroubovicová anténa vyzařuje axiálně tehdy, pokud její střední průměr šroubovice odpovídá poměru 0,25 až 0,4 vzhledem k vlnové délce (λ). Šroubovicová anténa vyzařuje naopak radiálně, pokud její střední průměr je menší než 0,15 vlnové délky (λ).

V souvislosti s dvojím způsobem vyzařování šroubovicových antén se nabízí teoretická možnost využít tutéž anténu na dvou různých pásmech a to jednou jako směrovou, axiálně vyzařující šroubovici na vyšším kmitočtu a podruhé jako všesměrovou, radiálně vyzařující šroubovici na podstatně nižším kmitočtu.

Šroubovice s axiálním způsobem vyzařování jsou antény širokopásmové, tedy bez kritických rozměrů. Využívají se jako směrové antény na pásmech VKV a UKV. při družicové komunikaci atelemetrii, ale také jako TV antény přijímací. Prakticky se konstruují v délkách 0,5 λ až 5 λ podle požadavků na zisk. Čím je anténa delší, tím větší má zisk.

Vyzařovací a napájecí vlastnosti šroubovicových antén s radiálním vyzařováním se od předchozích antén s axiálním vyzařováním značně liší, přestože jde o antény téměř stejného tvaru. Vyzařování těchto malých šroubovicových antén se podobá vyzařování antén lineárních, to je jednoduchých přímých vodičů. Při správném uspořádán proto mohou malé šroubovicové antény s radiálním módem diagramu záření i polarizací vyzařovat stejně jako lineární dipóly λ/2 nebo unipóly λ/4. Výhodou však je jejich podstatně kratší fyzická resp. geometrická délka, která velmi vyhovuje zamýšlenému mobilnímu použití.

Malé šroubovicové antény s radiálním vyzařováním jsou svou podstatou úzkopásmové a hlavním předpokladem jejich dobré funkce je požadavek, aby byly na daném provozním kmitočtu v rezonanci, to je ve stavu, kdy vysokofrekvenční proudy nabývají ve vlastní anténní struktuře maximálních hodnot a to i bez ohledu na to, zda anténa je k bezprostředně připojené radiostanici impedančně přizpůsobena. Je však zásada, že antény je třeba provozovat impedančně přizpůsobené a to především u antén, které jsou napájeny koaxiálním kabelem.

Pro naladění šroubovicové antény s radiálním vyzařováním na požadovaný kmitočet je nutné sladit mezi sebou její rozměrové parametry, představované zejména průměrem šroubovice, průměrem použitého vodiče, stoupáním závitů vodiče a celkovým počtem závitů vodiče. Příkladně pro posun rezonančního kmitočtu šroubovicové antény na nižší kmitočet je možno zvětšit počet závitů, popřípadě stlačit šroubovici při zachování shodného počtu závitů. Těmito zásahy se ovlivňuje šířka kmitočtového pásma, v němž může anténa uspokojivě pracovat a ve kterém jsou splněny určité anténní parametry, vyjádřené např. povoleným poklesem maximální velikosti

- 1 CZ 14541 Ul jejího zisku v decibelech (dB). Právě malé rezonanční šroubovicové antény s radiálním vyzařováním reálně představují klasický sériový LC obvod s převládající indukčností a se ztrátovými odpory. U většiny těchto všesměrových antén jsou zpravidla jediným kritériem pro šířku jejich kmitočtového pásma napájecí vlastnosti antény.

Příkladem konstrukce antény pro příjem v pásmech velmi krátkých vln je řešení obsažené v popisu vynálezu kCS autorskému osvědčení číslo 213579 s prioritou ze dne 18.01.1978^ Int. Cl.³ H 01 Q 7/02. Účelem tohoto řešení je dosažení výrazné miniaturizace antény při parametrech obdobných při přijmu na laděný dipól. Podstata řešení spočívá vtom, že se použije běžně známé smyčkové antény se zesilovačem, u které je zavedena kladná zpětná vazba z výstupního laděného obvodu na vstupní laděnou smyčku. Vhodným nastavením této vazby lze dosáhnout značného zúžení přijímaného pásma kmitočtů a zvýšení zisku antény. Obvod laděné smyčky může být plynule přeladitelný varikapem.

Úkolem technického řešení je navrhnout zapojení pro napájení šroubovicové antény s radiálním vyzařováním, umožňující snadné a rychlé impedanční přizpůsobení této antény. K vlastnímu napájení antény je využit koaxiální kabel, připojený k jednomu jejímu konci. Konečné frekvenční naladění antény ajejí impedanční přizpůsobení však nakonec zůstává zčásti záležitostí experimentální.

Podstata technického řešení

Transformace impedance při napěťovém napájení půlvlnných zářičů na jejich konci koaxiálním kabelem je podle technického řešení realizována impedančním transformátorem, vřazeným mezi napájecí koaxiální kabel ajeden konec šroubovicového půlvlnného či čtvrtvlnného zářiče, přičemž impedanční transformátor je tvořen paralelním rezonančním LC obvodem.

V případě užití paralelního rezonančního LC obvodu je jeden konec šroubovicového půlvlnného zářiče zapojen na prvý společný bod cívky a proměnného kondenzátoru, který společně s cívkou tvoří paralelní rezonanční LC obvod. Dále, stínící vodič koaxiálního kabeluje zapojen na druhý společný bod cívky a proměnného kondenzátoru, který společně s cívkou tvoří paralelní rezonanční LC obvod. Středový vodič koaxiálního kabelu je potom zapojen na odbočku cívky, náležející do paralelního rezonančního LC obvodu.

Za účelem snadného nalezení stavu impedančního přizpůsobení napájecího vodiče včetně připojené radiostanice ke šroubovicové anténě s radiálním vyzařováním je mezi prvý společný bod představovaný cívkou a proměnným kondenzátorem paralelního rezonančního LC obvodu a jeden konec šroubovicového půlvlnného či čtvrtvlnného zářiče zapojena kontrolní žárovka. Alternativně může být kontrolní žárovka zapojena mezi druhý společný bod představovaný cívkou a proměnným kondenzátorem paralelního rezonančního LC obvodu a odbočku cívky paralelního rezonančního LC obvodu.

Stínící vodič napájecího koaxiálního kabeluje zapojen na druhý společný bod cívky a proměnného kondenzátoru paralelního rezonančního LC obvodu, zatímco středový vodič napájecího koaxiálního kabeluje zapojen na odbočku cívky paralelního rezonančního LC obvodu. Uvedené zapojení napájecího koaxiálního kabelu je zakončeno na konektoru šroubovicové antény podle technického řešení.

Výhodou zapojení šroubovicové antény podle technického řešení je dosažení její lepší selektivnosti, citlivosti i většího zisku.

Přehled obrázků na výkresech

Příklady provedení šroubovicové antény podle technického řešení jsou schematicky ukázány na výkresech, na nichž značí obr. 1 schéma jejího zapojení, obr. 2 alternativní zapojení kontrolní žárovky u šroubovicové antény podle obr. 1 a obr. 3 konstrukční uspořádání šroubovicové antény podle zapojení z obr. 1.

-2CZ 14541 Ul

Příklady provedení technického řešení

Šroubovicová anténa podle obr. 1 obsahuje půlvlnný zářič 1, na jehož jeden konec 9 je zapojen impedanční transformátor 10, tvořený paralelním rezonančním LC obvodem JT, který obsahuje cívku 3 a proměnný kondenzátor 4. Na druhý společný bod 14 cívky 3 a proměnného kondenzátoru 4 paralelního rezonančního LC obvodu IT je zapojen stínící vodič 6 napájecího koaxiálního kabelu 2. Prvý společný bod 13 cívky 3 a proměnného kondenzátoru 4 paralelního rezonančního LC obvodu JJL je napojen na jeden konec 9 půlvlnného zářiče L Středový vodič 7 koaxiálního kabelu 2 je zapojen na první odbočku 15 cívky 3 paralelního rezonančního LC obvodu JT. Zapojení podle obr. 1 je doplněno o kontrolní žárovku 5, vřazenou mezi druhou odbočku 20 cívky 3 paralelního rezonančního LC obvodu JT a druhý společný bod 14, představovaný cívkou 3 a proměnným kondenzátorem 4 paralelního rezonančního obvodu 11. Na druhý společný bod 14 je zapojen rovněž stínící vodič 6 napájecího koaxiálního kabelu 2.

Zapojení šroubovicové antény podle obr. 2 se liší od zapojení podle obr. 1 pouze jiným umístěním kontrolní žárovky 5, která je vřazena mezi jeden konec 9 půlvlnného zářiče i a prvý společný bod 13 paralelního rezonančního LC obvodu JT. Na prvý společný bod J3 je zapojen horní konec cívky 3 a horní konec proměnného kondenzátoru 4. Na druhý společný bod 14 ie jednak zapojen dolní konec cívky 3, jednak dolní konec proměnného kondenzátoru 4 a jednak stínící vodič 6 napájecího koaxiálního kabelu 2.

Na obr. 3 je naznačeno příkladné konstrukční provedení šroubovicové antény podle technického řešení. Základem je nosná trubka 19 na kterou je navinuta šroubovice půlvlnného zářiče i, příkladně izolovaným drátem o průměru 0,75 mm. Nosná trubka 19 je z nekovového materiálu. Průměr šroubovice je v rozmezí 25 mm až 30 mm. Menší rozteč závitů šroubovice zvyšuje frekvenci, větší rozteč závitů šroubovice frekvenci snižuje. Navinutá šroubovice půlvlnného zářiče I je k nosné trubce 19 fixována smrštitelnou fólií 17. Horní, to je druhý konec 16 nosné trubky 19, je zaslepen.

Prvý společný bod 13 paralelního rezonančního LC obvodu 11 je spojen s jedním koncem 9 půlvlnného zářiče 1. Paralelní rezonanční LC obvod JT je tvořen cívkou 3 a proměnným kondenzátorem 4. Druhý společný bod 14 paralelního LC rezonančního obvodu 11 je spojen jednak se stínícím vodičem 6 a jednak s jedním kontaktem kontrolní žárovičky 5. Stínící vodič 6 je vyveden na konektor 8 anténního napáječe. Konektor 8 je umístěn na dolním konci nosné trubky 19. Druhý kontakt kontrolní žárovky 5 je rovněž vyveden na konektor 8 anténního napáječe. S konektorem 8 anténního napáječe je propojena ještě první odbočka 15 cívky 3, která spoluvytváří společně s proměnným kondenzátorem 4 impedanční transformátor JO.

Cívka 3 paralelního rezonančního LC obvodu 11 může být příkladně vinuta z izolovaného drátu o průměru 3 mm a průměr této cívky vychází v rozmezí 40 mm až 50 mm. Zde platí vztah, že čím větší je průměr cívky 3, tím menší je její počet závitů. Paralelní rezonanční LC obvod JT i půlvlnný zářič 1 se ladí shodně na stejnou frekvenci, např. na 27 MHz a to na maximální svítivost kontrolní žárovičky 5. Frekvenční rozsah půlvlnného zářiče 1 je možno upravovat změnou počtu jeho závitů nebo úpravou jejich rozteče.

Paralelní rezonanční LC obvod JT je situován pod ochrannou stříškou 18 proti působení nepříznivého počasí. Sroubovicovou anténu je možno fixovat do požadované polohy pomocí upevňovací objímky 12.

Claims (4)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Šroubovicová anténa s radiálním vyzařováním, zejména pro přenosné a mobilní radiostanice, obsahující půlvlnný zářič ve tvaru šroubovice navinutý drátem na nosné trubce nebo tyči,

   -3 CZ 14541 Ul který je napěťově napájen na jeho jednom konci, to je v místě vysoké impedance nesymetrickým stíněným vodičem, vyznačující se tím, že mezi koaxiální kabel (2) a jeden konec (9) šroubovicového půlvlnného zářiče (1) je zapojen impedanční transformátor (10) tvořený paralelním rezonančním LC obvodem (11), přičemž jeden konec (9) šroubovicového půlvlnného zářiče (1) je zapojen na prvý společný bod (13) cívky (3) a proměnného kondenzátoru (4) paralelního rezonančního LC obvodu (11) a stínící vodič (6) koaxiálního kabelu (2) je zapojen na druhý společný bod (14) cívky (3) a proměnného kondenzátoru (4) paralelního rezonančního LC obvodu (11) a středový vodič (7) koaxiálního kabelu (2) je zapojen na první odbočku (15) cívky (3) paralelního rezonančního LC obvodu (11).
2. 2. Šroubovicová anténa sradiálním vyzařováním podle nároku 1, vyznačující se tí m , že mezi druhý společný bod (14) tvořený cívkou (3) a proměnným kondenzátorem (4) paralelního rezonančního LC obvodu (11) a druhou odbočku (20) cívky (3) paralelního rezonančního LC obvodu (11) je zapojena kontrolní žárovka (5).
3. 3. Šroubovicová anténa sradiálním vyzařováním podle nároku 1, vyznačující se tím, že mezi prvý společný bod (13) tvořený cívkou (3) a proměnným kondenzátorem (4) paralelního rezonančního LC obvodu (11) a jeden konec (9) šroubovicového půlvlnného zářiče (1) je zapojena kontrolní žárovka (5).
4. 4. Šroubovicová anténa sradiálním vyzařováním podle nároku 1, vyznačující se tím, že koaxiální kabel (2) je zakončen na konektoru (8) anténního napáječe.