8-900-374-94-44
Изобретение относится к области гидроакустики и может быть применено при разработке антенн гидроакустических систем и комплексов. Технический результат — снижение мощности отраженной антенной гидроакустической волны и повышение чувствительности гидроакустических датчиков. Антенный модуль состоит из акустических экранов и гидроакустических приемников, каждый из которых содержит несколько цилиндрических пьезокерамических преобразователей. Сущность изобретения состоит в том, что цилиндрические преобразователи образуют сплошную поверхность и полностью перекрывают гидроакустические экраны в направлении по нормали к их поверхности. Причем преобразователи, входящие в гидроакустический приемник, соединены строго последовательно. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области гидроакустики и может быть применено при разработке антенн гидроакустических систем и комплексов.
Антенный модуль является базовой единицей построения сложных антенных решеток, позволяющий улучшить технологичность сборки, повысить точность и плотность размещения гидроакустических датчиков. Примерами таких модулей могут служить устройства, описанные в изобретениях по патентам РФ №2167499 «Линейный модуль гидроакустической антенны», №2269875 «Многоэлементный линейный модуль гидроакустической приемной антенны». Также линейные антенные модули описываются в составе антенны — патент РФ №27768 на полезную модель «Многоэлементная гидроакустическая антенна» и патент РФ №2078484 на изобретение «Многоэлементная гидроакустическая антенна». Конструктивно, в антенном модуле объединяются гибкий каркас, выполненный либо из шарнирно соединенных частей, либо в виде полимерного шланга заданного сечения, а также гидроакустические датчики и акустические экраны, связанные с ними. При этом модуль представляет из себя законченную автономную конструктивную единицу, способную осуществлять прием гидроакустических сигналов.
При разработке антенных модулей всегда остаются актуальными вопросы повышения чувствительности гидроакустических приемников. Это вызвано возрастающими требованиями как с точки зрения требований к дальности обнаружения источников локального шума гидроакустическими средствами, так и с точки зрения обнаружения слабых локальных сигналов, имеющих низкое отношение сигнал/помеха, либо затененных сильными локальными источниками. Также необходимо отметить, что многоэлементные антенны, обладающие повышенной чувствительностью, используются в составе гидроакустических систем, оборудованных мощными вычислительными средствами и алгоритмами обработки первичной информации. Это, в свою очередь, накладывает определенные требования на характер данных, получаемых от антенных модулей, в частности, минимальное искажение исходной информации при использовании аппаратных преобразований сигнала. Кроме того, при наличии требований минимизации переизлучения гидроакустических волн, падающих на поверхность носителя антенны, данный вопрос должен учитываться при конструировании модулей, т.к. площадь, занимаемая ими на поверхности носителя для чувствительных антенн высокого разрешения может достигать значительных величин. Примером подобных антенн может служить антенна, описанная в патенте РФ №2259643 «Гидроакустическая многоэлементная антенна выпуклой формы».
Решение, предлагаемое в данном изобретении, является наиболее близким к линейному антенному модулю, описанному в полезной модели по патенту РФ №27768 «Многоэлементная гидроакустическая антенна», который можно отнести к ближайшему аналогу (прототипу) предлагаемого изобретения. В данном патенте описывается гидроакустическая антенна, сформированная из отдельных антенных модулей, состоящих из акустических экранов и гидроакустических приемников, сигналы с которых передаются по единому кабелю.
Однако данное решение не лишено некоторых недостатков. К таковым можно отнести площадь чувствительной поверхности гидроакустических приемников, меньшую, чем площадь акустических экранов, т.е. площадь поверхности антенного модуля. Вследствие этого, при использовании отражающих экранов от их поверхности, не закрытой гидроакустическими приемниками, будет происходить переизлучение падающей акустической волны. Таким образом, при наличии требований минимизации отражаемой носителем энергии, гидроакустическская антенна будет играть демаскирующую роль. Также необходимо отметить, что выход элементарного канала линейного антенного модуля, как правило, формируется на основе сигналов от нескольких конструктивно завершенных гидроакустических преобразователей (чувствительных элементов), собранных в единую конструкцию по последовательно-параллельной схеме (Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. — Л.: Судостроение, 1980, с.112-113). С другой стороны, при использовании современных вычислительных комплексов, обрабатывающих данные с датчиков антенны, целесообразно конкретизировать способ объединения сигналов гидроакустических преобразователей с тем, чтобы минимизировать потери первичной информации и получить ее от датчиков в максимально возможном объеме.
Задачей изобретения является снижение энергии переотражаемой гидроакустической волны, падающей на антенну, сформированную с использованием представленного в заявке линейного антенного модуля, а также максимизация объема информации, получаемой от гидроакустических приемников, т.е. повышение их чувствительности с целью реализации алгоритмов обработки сигнала, построенных на более сложных моделях гидроакустических преобразователей, нежели операция усреднения сигналов нескольких гидроакустических преобразователей, объединенных параллельным соединением в одну группу, образующую элементарный приемный канал.
Для решения поставленной задачи в линейный антенный модуль, состоящий из акустических экранов, линий электрических коммуникаций и гидроакустических приемников, состоящих из нескольких цилиндрических пьезокерамических преобразователей, оси симметрии которых параллельны плоскости акустического экрана, введены следующие новые признаки:
1) цилиндрические пьезокерамические преобразователи расположены на поверхности экрана параллельно друг другу с минимальными зазорами как по торцам, так и по образующей цилиндра таким образом, что по нормали к поверхности гидроакустических экранов полностью их перекрывают;
2) все цилиндрические пьезокерамические преобразователи одного гидроакустического приемника включены электрически последовательно.
Техническими результатами изобретения являются:
— снижение мощности отраженной антенной гидроакустической волны;
— повышение чувствительности гидроакустических датчиков, что позволяет использовать больший объем первичной информации, содержащейся в сигнале для последующей обработки в вычислительном комплексе гидроакустической системы, оборудованной антенной, построенной на заявляемых линейных гидроакустических модулях.
Вышеуказанные технические результаты достигаются за счет:
1) большего поглощения падающей гидроакустической волны в системе «преобразователь-экран» по сравнению с собственно акустическим экраном;
2) при последовательном включении гидроакустических датчиков достигается максимально возможная чувствительность исключением усреднения сигналов при параллельном соединении гидроакустических преобразователей в гидроакустическом приемнике, а дальнейшая обработка информации происходит на более сложных моделях преобразователей в вычислительном комплексе, например, обобщенным методом наименьших квадратов с учетом погрешностей каждого преобразователя.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется на фигуре 1. В антенном модуле, содержащем акустические экраны (2), установлены цилиндрические пьезокерамические преобразователи (1), перекрывающие всю площадь акустических экранов по нормали к ним. При этом несколько цилиндрических пьезокерамических преобразователей (2) соединены последовательно и образуют один гидроакустический приемник (3).
Устройство работает следующим образом. Фронт гидроакустической волны, падающий на поверхность линейного модуля, всей своей поверхностью взаимодействует с цилиндрическими пьезокерамиче-скими преобразователями (1). В свою очередь сигналы, распространяющиеся со стороны корпуса носителя, на котором установлен линейный модуль, отражаются либо поглощаются гидроакустическими экранами (2). При этом цилиндрические пьезокерамические преобразователи (1) соединены строго последовательно, что позволяет добиться максимальной чувствительности [Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. — Л.: Судостроение, 1980. — 232 с., ил., с.23-27], т.к. при последовательном электрическом соединении чувствительность гидроакустического приемника γ∑ составляет:
γ∑=Nγпр,
где N — количество цилиндрических пьезокерамических преобразователей, γ
Предложенная конструкция линейного приемного модуля позволяет добиться:
1) меньшей мощности переотражаемой гидроакустической волны, падающей на антенну, а следовательно, меньшей мощности переотражаемого носителем сигнала;
2) улучшения характеристик обнаружения и оценки параметров гидроакустических сигналов, принимаемых антенной, составленной из заявляемых линейных модулей.
Таким образом, задачу изобретения можно считать решенной.
1. Линейный антенный модуль, состоящий из акустических экранов, линий электрических коммуникаций и гидроакустических приемников, состоящих из нескольких цилиндрических пьезокерамических преобразователей, оси симметрии которых параллельны плоскости акустического экрана, отличающийся тем, что цилиндрические пьезокерамические преобразователи расположены на поверхности экрана параллельно друг другу с минимальными зазорами как по торцам, так и по образующей цилиндра таким образом, что по нормали к поверхности гидроакустических экранов полностью их перекрывают.
2. Линейный антенный модуль по п.1, отличающийся тем, что все цилиндрические пьезокерамические преобразователи одного гидроакустического приемника включены электрически последовательно.
findpatent.ru
Изобретение относится к области гидроакустики и может быть применено при разработке антенн гидроакустических систем и комплексов.
Антенный модуль является базовой единицей построения сложных антенных решеток, позволяющий улучшить технологичность сборки, повысить точность и плотность размещения гидроакустических датчиков. Примерами таких модулей могут служить устройства, описанные в изобретениях по патентам РФ №2167499 «Линейный модуль гидроакустической антенны», №2269875 «Многоэлементный линейный модуль гидроакустической приемной антенны». Также линейные антенные модули описываются в составе антенны — патент РФ №27768 на полезную модель «Многоэлементная гидроакустическая антенна» и патент РФ №2078484 на изобретение «Многоэлементная гидроакустическая антенна». Конструктивно, в антенном модуле объединяются гибкий каркас, выполненный либо из шарнирно соединенных частей, либо в виде полимерного шланга заданного сечения, а также гидроакустические датчики и акустические экраны, связанные с ними. При этом модуль представляет из себя законченную автономную конструктивную единицу, способную осуществлять прием гидроакустических сигналов.
При разработке антенных модулей всегда остаются актуальными вопросы повышения чувствительности гидроакустических приемников. Это вызвано возрастающими требованиями как с точки зрения требований к дальности обнаружения источников локального шума гидроакустическими средствами, так и с точки зрения обнаружения слабых локальных сигналов, имеющих низкое отношение сигнал/помеха, либо затененных сильными локальными источниками. Также необходимо отметить, что многоэлементные антенны, обладающие повышенной чувствительностью, используются в составе гидроакустических систем, оборудованных мощными вычислительными средствами и алгоритмами обработки первичной информации. Это, в свою очередь, накладывает определенные требования на характер данных, получаемых от антенных модулей, в частности, минимальное искажение исходной информации при использовании аппаратных преобразований сигнала. Кроме того, при наличии требований минимизации переизлучения гидроакустических волн, падающих на поверхность носителя антенны, данный вопрос должен учитываться при конструировании модулей, т.к. площадь, занимаемая ими на поверхности носителя для чувствительных антенн высокого разрешения может достигать значительных величин. Примером подобных антенн может служить антенна, описанная в патенте РФ №2259643 «Гидроакустическая многоэлементная антенна выпуклой формы».
Решение, предлагаемое в данном изобретении, является наиболее близким к линейному антенному модулю, описанному в полезной модели по патенту РФ №27768 «Многоэлементная гидроакустическая антенна», который можно отнести к ближайшему аналогу (прототипу) предлагаемого изобретения. В данном патенте описывается гидроакустическая антенна, сформированная из отдельных антенных модулей, состоящих из акустических экранов и гидроакустических приемников, сигналы с которых передаются по единому кабелю.
Однако данное решение не лишено некоторых недостатков. К таковым можно отнести площадь чувствительной поверхности гидроакустических приемников, меньшую, чем площадь акустических экранов, т.е. площадь поверхности антенного модуля. Вследствие этого, при использовании отражающих экранов от их поверхности, не закрытой гидроакустическими приемниками, будет происходить переизлучение падающей акустической волны. Таким образом, при наличии требований минимизации отражаемой носителем энергии, гидроакустическская антенна будет играть демаскирующую роль. Также необходимо отметить, что выход элементарного канала линейного антенного модуля, как правило, формируется на основе сигналов от нескольких конструктивно завершенных гидроакустических преобразователей (чувствительных элементов), собранных в единую конструкцию по последовательно-параллельной схеме (Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. — Л.: Судостроение, 1980, с.112-113). С другой стороны, при использовании современных вычислительных комплексов, обрабатывающих данные с датчиков антенны, целесообразно конкретизировать способ объединения сигналов гидроакустических преобразователей с тем, чтобы минимизировать потери первичной информации и получить ее от датчиков в максимально возможном объеме.
Задачей изобретения является снижение энергии переотражаемой гидроакустической волны, падающей на антенну, сформированную с использованием представленного в заявке линейного антенного модуля, а также максимизация объема информации, получаемой от гидроакустических приемников, т.е. повышение их чувствительности с целью реализации алгоритмов обработки сигнала, построенных на более сложных моделях гидроакустических преобразователей, нежели операция усреднения сигналов нескольких гидроакустических преобразователей, объединенных параллельным соединением в одну группу, образующую элементарный приемный канал.
Для решения поставленной задачи в линейный антенный модуль, состоящий из акустических экранов, линий электрических коммуникаций и гидроакустических приемников, состоящих из нескольких цилиндрических пьезокерамических преобразователей, оси симметрии которых параллельны плоскости акустического экрана, введены следующие новые признаки:
1) цилиндрические пьезокерамические преобразователи расположены на поверхности экрана параллельно друг другу с минимальными зазорами как по торцам, так и по образующей цилиндра таким образом, что по нормали к поверхности гидроакустических экранов полностью их перекрывают;
2) все цилиндрические пьезокерамические преобразователи одного гидроакустического приемника включены электрически последовательно.
Техническими результатами изобретения являются:
— снижение мощности отраженной антенной гидроакустической волны;
— повышение чувствительности гидроакустических датчиков, что позволяет использовать больший объем первичной информации, содержащейся в сигнале для последующей обработки в вычислительном комплексе гидроакустической системы, оборудованной антенной, построенной на заявляемых линейных гидроакустических модулях.
Вышеуказанные технические результаты достигаются за счет:
1) большего поглощения падающей гидроакустической волны в системе «преобразователь-экран» по сравнению с собственно акустическим экраном;
2) при последовательном включении гидроакустических датчиков достигается максимально возможная чувствительность исключением усреднения сигналов при параллельном соединении гидроакустических преобразователей в гидроакустическом приемнике, а дальнейшая обработка информации происходит на более сложных моделях преобразователей в вычислительном комплексе, например, обобщенным методом наименьших квадратов с учетом погрешностей каждого преобразователя.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется на фигуре 1. В антенном модуле, содержащем акустические экраны (2), установлены цилиндрические пьезокерамические преобразователи (1), перекрывающие всю площадь акустических экранов по нормали к ним. При этом несколько цилиндрических пьезокерамических преобразователей (2) соединены последовательно и образуют один гидроакустический приемник (3).
Устройство работает следующим образом. Фронт гидроакустической волны, падающий на поверхность линейного модуля, всей своей поверхностью взаимодействует с цилиндрическими пьезокерамиче-скими преобразователями (1). В свою очередь сигналы, распространяющиеся со стороны корпуса носителя, на котором установлен линейный модуль, отражаются либо поглощаются гидроакустическими экранами (2). При этом цилиндрические пьезокерамические преобразователи (1) соединены строго последовательно, что позволяет добиться максимальной чувствительности [Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. — Л.: Судостроение, 1980. — 232 с., ил., с.23-27], т.к. при последовательном электрическом соединении чувствительность гидроакустического приемника γ∑ составляет:
γ∑=Nγпр,
где N — количество цилиндрических пьезокерамических преобразователей, γпр — чувствительность цилиндрического пьезокерамического преобразователя.
Предложенная конструкция линейного приемного модуля позволяет добиться:
1) меньшей мощности переотражаемой гидроакустической волны, падающей на антенну, а следовательно, меньшей мощности переотражаемого носителем сигнала;
2) улучшения характеристик обнаружения и оценки параметров гидроакустических сигналов, принимаемых антенной, составленной из заявляемых линейных модулей.
Таким образом, задачу изобретения можно считать решенной.
edrid.ru
Изобретение относится к радиотехнике, а именно к активным антенным модулям. Техническим результатом является повышение помехозащищенности. Приемный антенный модуль состоит из антенного элемента, включающего диэлектрическую подложку, выполненную в виде перевернутого стакана с уступом на торцевой поверхности стенки и металлизированной внутренней поверхностью, и печатный проводник, расположенный на внешней стороне дна стакана подложки, платы приемника, расположенной на металлизированной поверхности подложки, крышки, закрепленной в уступе стакана подложки и имеющей средства крепления к металлическому экрану, и кабеля с соединителем на конце, присоединенного к выходу платы приемника, печатный проводник антенного элемента выполнен в виде структуры метаматериала, диэлектрическая подложка выполнена из полимерного материала с относительной диэлектрической проницаемостью менее 6,0, плата приемника снабжена ограничительной диодной сборкой, подключенной к перемычке параллельно входу малошумящего усилителя, и микросборкой приемника с цифровым выходом, подключенной к фильтру, кабель выполнен многопроводным, а его соединитель выполнен в виде USB-разъема, кабель пропущен через тонкостенную металлическую трубку, укрепленную одним концом в металлизированном отверстии модуля и другим концом механически его обжимающую, и герметизирован на выходе из металлической трубки клеевой термоусадочной трубкой. 10 з.п. ф-лы, 12 ил.
Изобретение относится к радиотехнике, а именно к активным антенным модулям, и может быть использовано для приема, усиления, фильтрации и первичной обработки радиосигналов, в частности в качестве приемного антенного модуля в аппаратуре пользователей космических навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС/GPS/GALILEO), а также в качестве базового элемента цифровых активных решеток.
С появлением миниатюрных микросборок навигационных GPS приемников появилась возможность создания приемных антенных модулей, включающих антенный элемент и микросхему (чипсет) приемника. Выдача сигнала на обработку в этом случае осуществляется в цифровом виде, что повышает помехоустойчивость всей аппаратуры [сайт www.gps-profi.ru/receiver.php — универсальный GPS-USB приемник JJ-Connect H-Sense, GlobalSat BU-353 USB GPS приемник, Altina GPS приемник GGM-309R (RS232), Altina GPS USB-приемник GGM-309U]. Имеется также большой класс GPS- USB приемников со встроенной антенной, в которых обмен с внешним устройством осуществляется по каналу Bluetooth [сайт www.gps-profi.ru/receiver.php — Bluetooth GPS приемники JJ-Connect Touch, GlobalSat BT-335, GlobalSat BT-338, GlobalSat BU-355, GlobalSat BT-359, GlobalSat BT-368, Altina GBT-709, Altina GGM-309U, Navitel RX200BT, eXtreme BTGPS001, Jet, Pocket Nature Solar GPS, SAVAN GSS (A), SAVAN GSS (B), Holux GR 236, Holux M 1200, Holux GPSlim GR-240, Holux GPS Gspase GS-R238, Royaltek Bluetooth GPS mini, Pretekc Bluetooth GPS mini, Rikaline 6030 Bluetooth GPS].
В последнее время появились миниатюрные микросборки (чипсеты) ГЛОНАСС/ GPS приемников, например ГЛОНАСС/GPS модули НАВИА® ML8088, NV08C-MCM, ГЕОС-3М, которые предназначены для вычисления текущих координат и скорости объекта в реальном масштабе времени в автономном режиме, формирования секундной метки времени и обмена с внешним оборудованием по последовательным портам RS232 (ML8088, NV08C-MCM, ГЕОС-3М) и USB (NV08C-MCM, ML8088). Поэтому появилась возможность создания приемных модулей, совмещающих плату приемника и антенну в едином корпусе и осуществляющих первичную обработку аналогового сигнала, преобразование его в цифровую форму и выдачу сигнала в цифровом виде.
Такой навигационный USB-приемник был создан ЗАО «КБ НАВИС» и представляет собой плату навигационного приемника с установленным на ней антенным элементом, которая снизу закрыта металлическим экраном и помещена внутри модульного полимерного корпуса, кабель выведен наружу и заканчивается USB-разъемом [www.navis.ru/news_ page _10.htm — USB-приемник СН-4711].
Однако такая конструкция USB-приемников, как GPS, так и ГЛОНАСС/GPS, не обеспечивает их достаточную механическую прочность и достаточный коэффициент усиления антенного элемента при углах, близких к экранной плоскости, что приводит к потере сигнала от спутников, находящихся вблизи горизонта. Модули также недостаточно герметичны в силу негерметичности мест соединения и имеют сложную конструкцию.
Известен также GPS приемник, включающий чипсет и антенну, которые смонтированы в герметичном корпусе с выводом сигнала со стороны крышки (вниз). Он предназначен для стационарной установки на транспорте [сайт www.gps-profi.ru/receiver.php — GlobalSat GPS приемник MR-350].
Этот модуль имеет большие габариты и сложность конструкции.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению является приемный антенный модуль (ПАМ), состоящий из антенного элемента, включающего диэлектрическую подложку, выполненную в виде перевернутого стакана с уступом на торцевой поверхности стенки и металлизированной внутренней поверхностью, и печатный проводник, расположенный на внешней стороне дна стакана подложки, платы приемника, расположенной на металлизированной поверхности подложки и включающей последовательно соединенные однокаскадный малошумящий усилитель и фильтр, вход усилителя электрически соединен перемычкой с печатным проводником антенного элемента, крышки, закрепленной в уступе стакана подложки и имеющей средства крепления к металлическому экрану, и кабеля с соединителем на конце, присоединенного к выходу платы приемника, при этом антенный элемент покрыт защитным радиопрозрачным слоем, а модуль имеет металлизированное отверстие для вывода кабеля [Патент РФ №58798, кл. H01Q 1/38, опубл. 27.11.2006].
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, а упомянутый фильтр является фильтром на поверхностных акустических волнах (ПАВ-фильтр).
В частном варианте выполнения антенны вывод кабеля через металлизированное отверстие снабжен резиновым патрубком с выступами.
В другом частном варианте выполнения антенны упомянутый фильтр расположен после первого каскада усиления малошумящего усилителя.
Однако это устройство имеет также недостатки — недостаточно высокая функциональность и помехозащищенность (в силу работы только с аналоговыми сигналами), а также то, что малые габариты керамического корпуса, как и всей приемной антенны, могут быть достигнуты только за счет применения керамики с высоким (более 10) значением относительной диэлектрической проницаемости, что приводит к усложнению процесса изготовления модуля и соответственно приводит к повышению его себестоимости.
Технической задачей заявленного изобретения является повышение помехозащищенности и уменьшение габаритов приемного антенного модуля (ПАМ).
Кроме того, технической задачей заявленного изобретения является повышение технологичности изготовления и снижение себестоимости приемного антенного модуля.
Технический результат достигается тем, что в приемном антенном модуле, состоящем из антенного элемента, включающего диэлектрическую подложку, выполненную в виде перевернутого стакана с уступом на торцевой поверхности стенки и металлизированной внутренней поверхностью, и печатный проводник, расположенный на внешней стороне дна стакана подложки, платы приемника, расположенной на металлизированной поверхности подложки и включающей последовательно соединенные однокаскадный малошумящий усилитель и фильтр, вход усилителя электрически соединен перемычкой с печатным проводником антенного элемента, крышки, закрепленной в уступе стакана подложки и имеющей средства крепления к металлическому экрану, и кабеля с соединителем на конце, присоединенного к выходу платы приемника, при этом антенный элемент покрыт защитным радиопрозрачным слоем, а модуль имеет металлизированное отверстие для вывода кабеля, печатный проводник антенного элемента выполнен в виде структуры метаматериала, диэлектрическая подложка выполнена из полимерного материала с относительной диэлектрической проницаемостью менее 6,0, плата приемника снабжена ограничительной диодной сборкой, подключенной к перемычке параллельно входу малошумящего усилителя, и микросборкой приемника с цифровым выходом, подключенной к фильтру, кабель выполнен многопроводным, а его соединитель выполнен в виде USB-разъема, кабель пропущен через тонкостенную металлическую трубку, укрепленную одним концом в металлизированном отверстии модуля и другим концом механически его обжимающую, и герметизирован на выходе из металлической трубки клеевой термоусадочной трубкой.
Целесообразно крышку выполнить из магнитопласта с металлизированной верхней поверхностью и закрыть снизу защитной пленкой, при этом экран выполнить магнитопроводящим.
Кроме того, целесообразно крышку выполнить из металла и покрыть снизу клеевым составом для крепления модуля к экрану.
Целесообразно металлизированное отверстие модуля выполнить в стенке стакана подложки или в крышке, при этом крышку выполнить металлической с не менее одним цилиндрическим выступом с резьбой для крепления к экрану с помощью контргайки.
Предпочтительно, чтобы печатный проводник представлял собой структуру произвольной формы, состоящую из не менее двух секторных элементов, разделенных радиальными щелями и имеющих не менее шести дугообразных щелей, и сквозного проводящего стержня симметричной формы, который установлен в центре диска и электрически соединен с секторными элементами и металлизированной поверхностью подложки.
При этом конфигурация внешней формы печатного проводника может быть произвольной, например прямоугольной, квадратной, многоугольной, эллипсоидной и т.п.
Целесообразно для создания поля круговой поляризации форму печатного проводника выбрать осесимметричной, количество секторных элементов печатного проводника выбрать кратным четырем, а сектор, смежный с сектором, имеющим контакт с перемычкой, со стороны контакта наполовину металлизировать, а для создания правой поляризации поля излучения металлизацию сектора расположить слева от сектора с контактом перемычки, а для левой поляризации поля излучения металлизацию сектора расположить справа от сектора с контактом перемычки.
Предпочтительно подложку антенного элемента выполнить из высокопрочной керамики, или керамосодержащего композита, а при выполнении малошумящего усилителя и фильтра встроенными в микросборке приемника последнюю подключить к перемычке.
На фиг.1 представлен общий вид ПАМ с USB-выводом вбок.
На фиг.2 — функциональная схема платы приемника.
На фиг.3 — общий вид ПАМ с USB-выводом вниз.
На фиг.4 — вариант печатного проводника антенного элемента с линейной поляризацией поля излучения.
На фиг.5 — вариант печатного проводника антенного элемента с круговой поляризацией поля излучения.
На фиг.6 — фотография навигационного приемного антенного модуля ГЛОНАСС/GPS.
На фиг.7 — коэффициент стоячей волны (КСВ) входа антенного элемента.
На фиг.8 — диаграммы направленности (ДН) антенного элемента от угла θ на частоте 1600 МГц при угле φ=90 градусов.
На фиг.9 — поляризационная диаграмма антенного элемента от угла θ на частоте 1699 МГц при угле φ=99 градусов.
На фиг.10 — ДН антенного элемента от угла φ для частоты 1600 МГц при угле θ=75 градусов.
На фиг.11 — принципиальная схема ГЛОНАСС/GPS навигационного USB-приемного антенного модуля.
На фиг.12 — захват спутников ГЛОНАСС, GPS (раздельно) и результат вычисления текущих координат на персональном компьютере.
Приемный антенный модуль состоит из антенного элемента, включающего печатный проводник 1 и диэлектрическую подложку 2 с металлизацией нижней поверхности 3, платы приемника 4, многопроводного кабеля 5 с USB-соединителем 6 на конце, крышки 7, защитного радиопрозрачного слоя 8, перемычки 9, защитной пленки 10, тонкостенной металлической трубки 11, клеевой термоусадочной трубки 12, металлического экрана 13.
Диэлектрическая подложка 2 антенного элемента выполнена в виде перевернутого стакана с уступом на торцевой поверхности стенки и экранной металлизированной внутренней поверхностью 3.
Диэлектрическая подложка 2 может быть выполнена с металлизированным отверстием в ее боковой стенке.
Подложка 2 антенного элемента может быть выполнена из высокопрочной керамики, керамосодержащего композита, а также из диэлектрического полимерного вещества.
Для удешевления антенного элемента подложка и проводник могут быть методом литья из полимерного материала с относительной диэлектрической проницаемостью менее 6,0.
Печатный проводник 1 расположен на внешней стороне дна стакана подложки 2 и выполнен произвольной формы.
Плата приемника 4 закреплена на металлизированной нижней поверхности внутренней полости стакана диэлектрической подложки 2. Плата приемника включает однокаскадный малошумящий усилитель (МШУ) поз.15 (Фиг.2), выполненный в виде одной микросхемы, ограничительную диодную сборку поз.14, подключенную параллельно с входом микросхемы к перемычке 9, микросборку приемника поз.17 с цифровым выходом и ПАВ-фильтр поз.16, включенный между усилителем поз.15 и микросборкой приемника поз.17.
В частном варианте при наличии встроенных МШУ поз.15 и фильтра поз.16 в микросборке приемника поз.17 последняя может быть подключена непосредственно к перемычке 9 (выходу антенного элемента).
Вход МШУ поз.15 электрически соединен с помощью перемычки 9 с печатным проводником 1 антенного элемента, обеспечивая кондуктивный тип связи. При этом точка соединения с печатным проводником 1 выбирается из условия их оптимального согласования по импедансу.
Многопроводный кабель 5 служит для соединения выхода платы приемника 4 с внешним цифровым приемным устройством, в котором осуществляется окончательная цифровая обработка сигнала и выдача (визуализация) результатов обработки. По кабелю 5 осуществляется также подача напряжения питания в плату приемника 4 и обмен служебной информацией между микросборкой приемника поз.17 и внешним цифровым приемным устройством.
Один конец кабеля 5 пропущен через тонкостенную металлическую трубку 11, которая одним концом закреплена, например, в боковом отверстии диэлектрической подложки 2, распаян к выходу микросборки приемника поз.17, обжат механически на выходе из трубки 11, а на другой его конец установлен USB-соединитель 6. Выход кабеля 5 из трубки 11 герметизирован с помощью клеевой термоусадочной трубки 12.
Крышка 7 может быть выполнена из магнитопласта с металлизированной верхней поверхностью, закреплена в уступе стакана подложки 2 таким образом, чтобы иметь электрический контакт с ее металлизированной внутренней поверхностью 3, и закрыта снизу защитной пленкой 10. Крышка 7 служит также для крепления приемного антенного модуля к магнитопроводящему экрану 13, образуя с ним так называемый «магнитный замок».
Кроме того, крышка 7 может быть выполнена из металла, снизу покрыта клеевым составом, который, в свою очередь, закрыт защитной пленкой 10. Крепление приемного антенного модуля в этом случае производится к экрану 13 путем его приклеивания после предварительного снятия защитной пленки 10.
Проводящий экран 13 служит для создания преимущественно однонаправленного приема сигнала антенным элементом. При этом форма диаграммы направленности формируется антенным элементом и экраном 13.
Снаружи антенный элемент покрыт защитным радиопрозрачным слоем 8.
На фиг.3 изображен другой, стационарный, вариант конструктивного исполнения заявляемого ПАМ с выводом сигнала вниз, со стороны крышки 7. В этом случае имеется соответствующее отверстие в крышке 7, в которое вмонтирована одним концом тонкостенная металлическая трубка 11, внутри трубки пропущен кабель 5 и обжат механически на другом ее конце, место выхода кабеля из трубки 11 герметизировано клеевой термоусадочной трубкой 12, а сама крышка 7 выполнена металлической и имеет не менее одного цилиндрического выступа с резьбой 18 для крепления приемного антенного модуля к экрану 13 с помощью контргайки 19.
В настоящее время микросборка приемника поз.17, микросхема МШУ поз.15 могут быть выполнены достаточно миниатюрными за счет применения нанотехнологий. Поэтому габариты приемного антенного модуля в основном определяются размером подложки, выполненной из диэлектрического материала.
Малые габариты антенного элемента, следовательно, и всего приемного антенного модуля могут быть достигнуты за счет применения керамики или керамокомпозита с высоким (более 10) значением относительной диэлектрической проницаемости. Снизить значение относительной диэлектрической проницаемости без увеличения габаритов антенного элемента позволяет применение метаматериала [С.Caloz and Т.Itoh, Electromagnetic Metamaterials, Transmission Line Theory and Microwave Applications, Piscataway, John Wiley/IEEE Press, 2005].
За счет выполнения печатного проводника 1 антенного элемента из метаматериала (метаматериалоподобным) подложка 2 может быть изготовлена из диэлектрического материала с малым значением относительной диэлектрической проницаемости (от 3,0 до 6,0) методом литья. Это повышает технологичность изготовления приемного антенного модуля и снижает его себестоимость.
Кроме того, для обеспечения достаточно большого рабочего диапазона частот (обычно не менее 3%) толщина дна стакана подложки при εr=4,8 (полиамид-610) должна быть не менее 0,4λ [см], что для дециметрового диапазона частот заведомо больше толщины защитного колпака активной антенны в обычном корпусном исполнении, не превышающей 2 мм. За счет утолщения дна стакана подложки 2 прочность ее возрастает по сравнению с обычным корпусом традиционной активной антенны.
На фиг.4 приведен вариант круглой топологии печатного проводника 1 антенного элемента с метаматериалом (метаматериалоподобной топологией), реализующий прием поля линейной поляризации. Конфигурация внешней формы печатного проводника может быть произвольной, например прямоугольной, квадратной, многоугольной, эллипсоидной и т.п.
Печатный проводник 1 антенного элемента представляет структуру метаматериала, расположенную на внешней стороне дна стакана подложки 2.
Печатный проводник 1 выполнен в форме диска с секторными элементами 20 в количестве не менее двух, разделенными радиальными щелями 21. В каждом секторном элементе имеются дугообразные щели 22 в количестве не менее шести. В центре диска имеется сквозной проводящий стержень 23 симметричной формы, имеющий электрический контакт с секторными элементами 20 и металлизацией 3 нижней поверхности стакана подложки 2. В результате антенный элемент образует планарную секторно-щелевую замедляющую систему.
С другой стороны, антенный элемент образован емкостями С радиальных щелей 21 и индуктивностями L секторных элементов 20 печатного проводника, замкнутыми на земляную поверхность 3 антенного элемента. Таким образом, предложенная структура печатного проводника 1 может быть представлена в виде эквивалентной CL-цепочки, характерной для метаматериалоподобных структур.
Точка питания антенного элемента (точка подключения перемычки 9 к печатному проводнику 1) находится по центру одного из секторных элементов на определенном расстоянии от центра диска и контактирует с металлизированной частью сектора. Для согласования антенного элемента с входом платы приемника 4 точку подключения перемычки 9 к печатному проводнику 1 необходимо совместить с точкой на печатном проводнике 1, в которой входное сопротивление антенного элемента равно 50 Ом на центральной частоте рабочего диапазона. Вне центральной частоты рабочего диапазона частот входное сопротивление становится комплексным, а диапазон согласования по заданному значению КСВн тем шире, чем толще диэлектрическая подложка 2 антенного элемента. Поле (компонента Е) поляризовано в плоскости, проходящей через точку питания печатного проводника 1 и его центр.
На фиг.5 приведен вариант круглой топологии печатного проводника антенного элемента с метаматериалом, реализующий прием поля круговой поляризации.
Отличие топологии от предыдущей состоит в том, что конфигурация внешней формы печатного проводника должна быть осесимметричной, а количество секторных элементов кратно четырем, причем один из секторов, смежный с сектором с точкой питания (точкой подключения перемычки 9), наполовину металлизирован со стороны точки питания (поз.24). Частичная металлизация смежного сектора обеспечивает возбуждение колебаний с одинаковой амплитудой и сдвигом фаз ±90°. В этом случае волны двух ортогональных линейных поляризаций формируют в свободном пространстве волну с круговой (левой или правой) поляризацией. Правая поляризация поля излучения имеет место, если металлизация сектора находится слева от сектора с точкой питания (вид сверху), а левая поляризация поля излучения имеет место, если металлизация сектора находится справа от сектора с точкой питания.
Применение антенного элемента с метаматериалоподобным печатным проводником в виде секторно-щелевой замедляющей системы позволяет использовать подложку с меньшим значением диэлектрической проницаемости, чем в традиционной микрополосковой антенне, что, в свою очередь, позволяет уменьшить габариты антенны, увеличить эффективность излучения и снизить себестоимость изделия.
Приемный антенный модуль работает следующим образом.
При падении электромагнитной волны на антенный элемент, который образован 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.
В антенном элементе возможно возбуждение множества типов колебаний (мод), но только самая низшая из них формирует осевую ДН, высшие типы колебаний дают тороидальные ДН с провалом в осевом направлении. Низшими (основными) типами колебаний для простейших видов печатных проводников 1 являются: мода ТМ10 для прямоугольного, мода ТМ11 для круглого и кольцевого печатного проводника 1.
За счет приподнимания антенного элемента над экраном 13 происходит расширение его диаграммы направленности для основного типа колебания. Достигается это путем выполнения диэлектрической подложки 2 с металлизированной нижней поверхностью 3 в виде перевернутого стакана, при этом печатный проводник 1 расположен на внешней стороне дна стакана подложки 2.
Наличие диэлектрического слоя на внешней поверхности стакана подложки 2 позволяет еще более расширить диаграмму направленности.
Высокочастотный ток, возникающий в печатном проводнике 1, через перемычку 9 поступает на вход платы приемника 4, которая расположена внутри замкнутого объема, образованного металлизированной внутренней полостью 3 диэлектрической подложки 2 и металлизированной (металлической, в других вариантах) поверхностью крышки 7, и изолирован от прямого воздействия падающей электромагнитной волны. В малошумящем усилителе поз.15 сигнал усиливается, фильтруется с помощью встроенного фильтра поз.16 и поступает на вход микросборки приемника поз.17, в котором происходит аналоговая обработка сигнала и его оцифровка, затем через кабель 5 с USB-соединителем 6 сигнал поступает на вход внешнего цифрового приемного устройства, в котором происходит цифровая обработка сигнала и выделение конечного результата с возможной его визуализацией или передачей в другие устройства.
Стоящая на входе малошумящего усилителя поз.15 ограничительная диодная сборка поз.14 служит для защиты платы приемника 4 от выхода из строя при наличии постороннего сигнала большой мощности (помехи).
При наличии встроенного МШУ поз.15 и фильтра поз.16 в микросборке приемника поз.17 последняя может быть подключена к выходу антенного элемента непосредственно (к концу перемычки 9).
Обмен с внешним устройством приемного модуля может также осуществляться не по кабелю 5, а по радиочастотному каналу типа Bluetooth. При этом кабель 5 с USB-соединителем 6 в конструкции модуля отсутствует, а выход ПАМ должен быть снабжен микросхемой приемо-передатчика (на фиг.2 не показана), а внешнее приемное цифровое устройство — аналогичной микросхемой.
Исходя из вышеописанных принципов был спроектирован и изготовлен навигационный приемный антенный модуль ГЛОНАСС/GPS (фиг.6). В качестве топологии печатного проводника была взята топология, изображенная на фиг.5. Размеры печатного проводника 1 и конфигурация топологии были выбраны таким образом, чтобы обеспечить работу антенного элемента в режиме низшей моды — квази-Е11. Подложка 2 была отлита с полиамида-610 (εr=4,8). Ее размеры (как и размеры всего модуля) составили 47,5 мм × 44 мм × 13 мм. Отметим, что точно такие же размеры ПАМ достигаются для простой (не из метаматериала) формы печатного проводника 1 (прямоугольной, круглой, треугольной, эллиптической) при изготовлении подложки 2 из корундовой керамики с εr=9,5.
Расчетные характеристики антенного модуля приведены на фиг.7-10.
Из приведенных данных видно, что антенный модуль (антенный элемент) имеет широкие амплитудную и поляризационную ДН, что крайне важно для навигационной антенны. Более того, поляризация поля в дальней зоне остается близкой к круговой практически во всей полусфере, что не реализуемо для элементарных печатных проводников 1 (квадратного, треугольного, многоугольного, круглого, кольцевого). Азимутальная зависимость поля в дальней зоне для угла θ=75 градусов имеет неоднородность 3,5 дБ.
Плата приемника 4 ГЛОНАСС/GPS навигационного USB-приемного антенного модуля реализована в варианте с ограничительной диодной сборкой поз.14, входным МШУ поз.15 и фильтром поз.16 (фиг.11). В качестве приемной ГЛОНАСС/GPS микросборки был использован чипсет ML8088.
Таким образом, предлагаемый приемный антенный модуль позволяет повысить помехозащищенность и уменьшить габариты, повысить технологичность изготовления и снизить себестоимость приемного антенного модуля.
1. Приемный антенный модуль, состоящий из антенного элемента, включающего диэлектрическую подложку, выполненную в виде перевернутого стакана с уступом на торцевой поверхности стенки и металлизированной внутренней поверхностью, и печатный проводник, расположенный на внешней стороне дна стакана подложки, платы приемника, расположенной на металлизированной поверхности подложки и включающей последовательно соединенные однокаскадный малошумящий усилитель и фильтр, вход усилителя электрически соединен перемычкой с печатным проводником антенного элемента, крышки, закрепленной в уступе стакана подложки и имеющей средства крепления к металлическому экрану, и кабеля с соединителем на конце, присоединенного к выходу платы приемника, при этом антенный элемент покрыт защитным радиопрозрачным слоем, а модуль имеет металлизированное отверстие для вывода кабеля, отличающийся тем, что печатный проводник антенного элемента выполнен в виде структуры метаматериала, диэлектрическая подложка выполнена из полимерного материала с относительной диэлектрической проницаемостью менее 6,0, плата приемника снабжена ограничительной диодной сборкой, подключенной к перемычке параллельно входу малошумящего усилителя, и микросборкой приемника с цифровым выходом, подключенной к фильтру, кабель выполнен многопроводным, а его соединитель выполнен в виде USB-разъема, кабель пропущен через тонкостенную металлическую трубку, укрепленную одним концом в металлизированном отверстии модуля и другим концом механически его обжимающую, и герметизирован на выходе из металлической трубки клеевой термоусадочной трубкой.
2. Приемный антенный модуль по п.1, отличающийся тем, что крышка выполнена из магнитопласта с металлизированной верхней поверхностью и закрыта снизу защитной пленкой, при этом экран выполнен магнитопроводящим.
3. Приемный антенный модуль по п.1, отличающийся тем, что крышка выполнена из металла и покрыта снизу клеевым составом для крепления модуля к экрану.
4. Приемный антенный модуль по п.1, отличающийся тем, что металлизированное отверстие модуля выполнено в стенке стакана диэлектрической подложки.
5. Приемный антенный модуль по п.1, отличающийся тем, что металлизированное отверстие модуля выполнено в крышке, при этом крышка выполнена металлической и имеет не менее одного цилиндрического выступа с резьбой для крепления к экрану с помощью контргайки.
6. Приемный антенный модуль по п.1, отличающийся тем, что печатный проводник представляет собой структуру произвольной формы, состоящую из не менее двух секторных элементов, разделенных радиальными щелями и имеющих не менее шести дугообразных щелей, и сквозного проводящего стержня симметричной формы, который установлен в центре диска и электрически соединен с секторными элементами и металлизированной поверхностью подложки.
7. Передающий антенный модуль по п.1, отличающийся тем, что конфигурация внешней формы печатного проводника может быть произвольной, например, прямоугольной, квадратной, многоугольной, эллипсоидной и т.п.
8. Приемный антенный модуль по п.6, отличающийся тем, что для создания поля круговой поляризации форма печатного проводника должна быть осесимметричной, количество секторных элементов печатного проводника кратно четырем, а сектор, смежный с сектором, имеющим контакт с перемычкой, со стороны контакта наполовину металлизирован.
9. Приемный антенный модуль по п.6, отличающийся тем, что для создания правой поляризации поля излучения металлизацию сектора располагают слева от сектора с контактом перемычки, а для левой поляризации поля излучения металлизацию сектора располагают справа от сектора с контактом перемычки.
10. Приемный антенный модуль по п.1, отличающийся тем, что подложка антенного элемента выполнена из высокопрочной керамики или керамосодержащего композита.
11. Приемный антенный модуль по п.1, отличающийся тем, что при выполнении малошумящего усилителя и фильтра встроенными в микросборке приемника последняя подключена к перемычке.
findpatent.ru
Перекрестные ссылки на родственные заявки
[0001] Данная заявка основана и притязает на приоритет заявки на патент (Китай) номер 201510073377,4, поданной 11 февраля 2015 года, содержимое которой полностью содержится в данном документе по ссылке.
Область техники, к которой относится изобретение
[0002] Настоящее раскрытие сущности, в общем, относится к области техники связи, а более конкретно к антенному модулю и мобильному терминалу.
Уровень техники
[0003] В силу развития технологии агрегирования несущих (CA), можно конструировать большее число антенн в мобильном телефоне, а большее число антенн может обеспечивать возможность мобильному телефону принимать различные виды беспроводных сигналов. В типичной компоновке металлической рамочной антенны, охватывающей полосу частот по стандарту долгосрочного развития (LTE), разнесенная антенна со многими входами и многими выходами (сокращенно «MIMO») по стандарту LTE и Wi-Fi-антенна, в общем, интегрируются в идентичном мобильном терминале, и если расстояние между двумя антеннами является относительно коротким, то между двумя антеннами должна возникать сильная связь, что влияет на производительность приема антенны.
Сущность изобретения
[0004] Чтобы разрешать проблемы в предшествующем уровне техники, варианты осуществления настоящего раскрытия сущности предоставляют антенный модуль и мобильный терминал для повышения производительности приема антенн мобильного терминала.
[0005] Согласно первому аспекту вариантов осуществления настоящего раскрытия сущности предусмотрен антенный модуль, антенный модуль включает в себя первую антенну и вторую антенну;
[0006] — первая точка заземления первой антенны электрически подключена к первой секции металлического корпуса мобильного терминала через первую точку соединения, и первая точка питания первой антенны электрически подключена к первой секции металлического корпуса через вторую точку соединения; и
[0007] — вторая антенна электрически подключена ко второй секции металлического корпуса мобильного терминала через третью точку соединения, гнездо открывается между второй секцией металлического корпуса и первой секцией металлического корпуса, и вторая секция металлического корпуса электрически подключена к точке заземления мобильного терминала через первую контактную точку.
[0008] В одном варианте осуществления первая контактная точка может быть электрически подключена к точке заземления мобильного терминала через металлический кожух наушника терминального мобильного устройства.
[0009] В одном варианте осуществления разрядный конденсатор подключен между первой контактной точкой и металлическим кожухом.
[0010] В одном варианте осуществления вторая секция металлического корпуса также может быть электрически подключена к металлическому кожуху через вторую контактную точку и вторая контактная точка предоставляется на одной внешней стороне наушника.
[0011] В одном варианте осуществления вторая секция металлического корпуса также может быть электрически подключена к металлическому кожуху через третью контактную точку и третья контактная точка предоставляется на другой внешней стороне наушника.
[0012] В одном варианте осуществления точка заземления мобильного терминала может представлять собой точку заземления PCB-платы на мобильном терминале.
[0013] В одном варианте осуществления первая антенна может представлять собой разнесенную антенну и вторая антенна может представлять собой Wi-Fi-антенну.
[0014] Согласно второму аспекту вариантов осуществления настоящего раскрытия сущности предусмотрен мобильный терминал, включающий в себя:
[0015] — процессор; и
[0016] — запоминающее устройство для сохранения инструкций, выполняемых посредством процессора;
[0017] — при этом мобильный терминал дополнительно включает в себя антенный модуль, который сконфигурирован как:
[0018] — первая антенна и вторая антенна;
[0019] — первая точка заземления первой антенны электрически подключена к первой секции металлического корпуса мобильного терминала через первую точку соединения, и первая точка питания первой антенны электрически подключена к первой секции металлического корпуса через вторую точку соединения; и
[0020] — вторая антенна электрически подключена ко второй секции металлического корпуса мобильного терминала через третью точку соединения, гнездо открывается между второй секцией металлического корпуса и первой секцией металлического корпуса, и вторая секция металлического корпуса электрически подключена к точке заземления мобильного терминала.
[0021] Технические решения, предоставленные посредством вариантов осуществления настоящего раскрытия сущности, могут иметь следующие преимущества: вторая секция металлического корпуса электрически подключена к точке заземления мобильного терминала через первую контактную точку, в силу этого позволяет настраивать резонансную частоту второй антенны и позволяет уменьшать перекрестные помехи, сформированные посредством второй антенны для первой антенны, за счет этого обеспечивая развязку между первой и второй антеннами.
[0022] Следует понимать, что как вышеприведенное общее описание, так и нижеприведенное подробное описание являются только примерными и пояснительными, а не ограничивающими изобретение согласно формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
[0023] Прилагаемые чертежи, которые содержатся и составляют часть этого подробного описания, иллюстрируют варианты осуществления в соответствии с изобретением и наряду с описанием служат для того, чтобы пояснять принципы раскрытия изобретения.
[0024] Фиг. 1 является конструктивной принципиальной схемой, иллюстрирующей антенный модуль, согласно примерному варианту осуществления.
[0025] Фиг. 2 является конструктивной принципиальной схемой, иллюстрирующей антенный модуль, согласно первому примерному варианту осуществления.
[0026] Фиг. 3 является конструктивной принципиальной схемой, иллюстрирующей антенный модуль, согласно второму примерному варианту осуществления.
[0027] Фиг. 4A является принципиальной схемой, иллюстрирующей результат тестирования первой антенны, согласно примерному варианту осуществления.
[0028] Фиг. 4B является принципиальной схемой, иллюстрирующей результат тестирования второй антенны, согласно примерному варианту осуществления.
[0029] Фиг. 4C является принципиальной схемой, иллюстрирующей результат тестирования развязки между первой антенной и второй антенной согласно примерному варианту осуществления.
[0030] Фиг. 5 является блок-схемой, иллюстрирующей мобильный терминал согласно примерному варианту осуществления.
Подробное описание изобретения
[0031] Далее приводится подробное описание примерных вариантов осуществления, примеры которых проиллюстрированы на прилагаемых чертежах. Нижеприведенное описание ссылается на прилагаемые чертежи, на которых идентичные номера на различных чертежах представляют идентичные или аналогичные элементы, если не указано иное. Реализации, изложенные в нижеприведенном описании примерных вариантов осуществления, не представляют все реализации в соответствии с изобретением. Вместо этого они являются просто примерами устройств и способов в соответствии с аспектами, связанными с изобретением, изложенными в прилагаемой формуле изобретения.
[0032] Фиг. 1 является конструктивной принципиальной схемой, иллюстрирующей антенный модуль, согласно примерному варианту осуществления. Антенный модуль может применяться в мобильном терминале, таком как мобильный смартфон и планшетный компьютер. Как показано на фиг. 1, антенный модуль включает в себя первую антенну 11 и вторую антенну 21.
[0033] Первая точка 12 заземления первой антенны 11 электрически подключена к первой секции 17 металлического корпуса мобильного терминала через первую точку 14 соединения, первая точка 13 питания первой антенны 11 электрически подключена к первой секции 17 металлического корпуса через вторую точку 15 соединения, и первая точка 13 питания, первая секция 17 металлического корпуса и первая точка 14 заземления формируют первый контур. Первая антенна 11 может испускать большую энергию излучения наружу через первый контур.
[0034] Вторая антенна 21 электрически подключена ко второй секции 27 металлического корпуса мобильного терминала 10 через третью точку 24 соединения, гнездо 40 открывается между второй секцией 27 металлического корпуса и первой секцией 17 металлического корпуса, вторая секция 27 металлического корпуса электрически подключена к точке заземления мобильного терминала 10 через первую контактную точку 31, вторая точка 23 питания второй антенны 21 формирует второй контур со второй секцией 27 металлического корпуса и точкой заземления на мобильном терминале 10, и вторая точка 23 питания и вторая точка 22 заземления второй антенны 21 формируют третий контур. Вторая антенна 21 может испускать большую энергию излучения наружу на двух частотах через второй и третий контуры соответственно.
[0035] В настоящем варианте осуществления вторая секция 27 металлического корпуса электрически подключена к точке заземления мобильного терминала 10 через первую контактную точку 31, в силу чего вторая секция 27 металлического корпуса позволяет настраивать резонансную частоту второй антенны 21 и позволяет уменьшать перекрестные помехи для первой антенны 11 посредством второй антенны 21, за счет этого обеспечивая развязку между первой антенной 11 и второй антенной 21.
[0036] В одном варианте осуществления первая контактная точка может быть электрически подключена к точке заземления мобильного терминала через металлический кожух наушника терминального мобильного устройства.
[0037] В одном варианте осуществления разрядный конденсатор может быть подключен между первой контактной точкой и металлическим кожухом.
[0038] В одном варианте осуществления вторая секция металлического корпуса также может быть электрически подключена к металлическому кожуху через вторую контактную точку и вторая контактная точка предоставляется на внешней стороне наушника.
[0039] В одном варианте осуществления вторая секция металлического корпуса также может быть электрически подключена к металлическому кожуху через третью контактную точку и третья контактная точка предоставляется на другой внешней стороне наушника.
[0040] В одном варианте осуществления точка заземления мобильного терминала может представлять собой точку заземления PCB-платы на мобильном терминале.
[0041] В одном варианте осуществления первая антенна может представлять собой разнесенную антенну, и вторая антенна может представлять собой Wi-Fi-антенну.
[0042] На настоящий момент времени антенный модуль, предоставленный посредством вариантов осуществления настоящего раскрытия сущности, позволяет уменьшать перекрестные помехи между первой и второй антеннами и обеспечивать развязку между первой и второй антеннами.
[0043] В дальнейшем в этом документе проиллюстрированы технические решения, предоставленные посредством вариантов осуществления настоящего раскрытия сущности, посредством конкретных вариантов осуществления.
[0044] Фиг. 2 является конструктивной принципиальной схемой, иллюстрирующей антенный модуль, согласно первому примерному варианту осуществления. На основе варианта осуществления, показанного на вышеуказанной фиг. 1, как показано на фиг. 2, первая антенна 11 может представлять собой разнесенную LTE MIMO-антенну (сокращенно «разнесенная антенна» ниже), и диапазон частот разнесенной антенны составляет 700 МГц ~ 2700 МГц. Вторая антенна 21, показанная в правой стороне фиг. 3, может представлять собой Wi-Fi-антенну, и расстояние между разнесенной антенной и Wi-Fi-антенной составляет ширину гнезда 40 между ними. Например, ширина гнезда составляет 1 мм. Wi-Fi-антенна приспосабливает двухконтурную антенну, вторая точка 23 питания находится ниже второй антенны 21, металлическое разомкнутое кольцо 20 на правой стороне используется в качестве основного радиатора, и разнесенная LTE MIMO-антенна приспосабливает конструкцию одного контура, дополненного паразитным элементом 16. Специалисты в данной области техники могут понимать, что фиг. 2 является только иллюстративной и не имеет тенденцию ограничивать настоящее раскрытие сущности, и настоящее раскрытие сущности также может применяться к другим антеннам на мобильном терминале 10.
[0045] Как показано на фиг. 2, вторая секция 27 металлического корпуса электрически подключена к точке заземления PCB-платы 41 на мобильном терминале 10 через первую контактную точку 31. В варианте осуществления разрядный конденсатор (не показан на чертежах) подключен между первой контактной точкой 31 и PCB-платой 41. Альтернативно, индуктор (не показан на чертежах) может быть подключен между первой контактной точкой 31 и PCB-платой 41. Разрядный конденсатор и индуктор могут настраивать вторую антенну 21 на конкретную резонансную частоту, в силу чего наушник 51, PCB-плата 41 и т.п., после интеграции, могут быть адаптируемыми к антеннам, имеющим различные резонансные частоты.
[0046] Фиг. 3 является конструктивной принципиальной схемой, иллюстрирующей антенный модуль, согласно второму примерному варианту осуществления. На основе варианта осуществления, показанного на вышеуказанной фиг. 1 или фиг. 2, как показано на фиг. 3, в варианте осуществления точка заземления мобильного терминала 10 может представлять собой точку заземления PCB-платы 41 на мобильном терминале 10, вторая секция 27 металлического корпуса электрически подключена к точке заземления PCB-платы 41 через металлический кожух (не показан на чертежах) наушника 51 мобильного терминала 10. В варианте осуществления наушник 51 находится выше области второй антенны 21.
[0047] В варианте осуществления посредством конструирования наушника 51 в качестве металлического кожуха и с заземлением через PCB-плату 41, необязательные помехи для первой антенны 11 и второй антенны 21 посредством высшей моды внутреннего резонанса в наушнике 51 могут не допускаться, необязательный сдвиг частоты антенны первой антенны 11 и второй антенны 21 исключаться и за счет этого повышается производительность антенны.
[0048] В варианте осуществления вторая секция 27 металлического корпуса может содержать вторую точку 32 касания и третью точку 33 касания, и как вторая точка 32 касания, так и третья точка 33 касания электрически подключены к металлическому кожуху наушника 51. Посредством предоставления второй точки 32 касания на второй секции 27 металлического корпуса помехи для первой антенны 11 и второй антенны 21 посредством авторезонанса наушника 51 могут ослабляться, и посредством предоставления третьей точки 33 касания на второй секции 27 металлического корпуса развязка между первой антенной 11 и второй антенной 21 дополнительно может улучшаться, и явление сдвига частоты первой антенны 11 и второй антенны 21 может исключаться после вставки наушника 51 в мобильный терминал 10.
[0049] В настоящем варианте осуществления как вторая точка 32 касания, так и третья точка 33 касания электрически подключены к металлическому кожуху наушника 51 и наушник 51 обеспечивает заземление металлического кожуха, что ослабляет помехи для первой антенны 11 и второй антенны 21 посредством авторезонанса наушника 51 и улучшает развязку между Wi-Fi-антенной и разнесенной антенной.
[0050] Чтобы более ясно пояснять преимущественные технические эффекты вариантов осуществления настоящего раскрытия сущности, в дальнейшем в этом документе преимущественные технические эффекты вариантов осуществления настоящего раскрытия сущности поясняются подробнее посредством комбинирования фиг. 4A-4C.
[0051] Фиг. 4A является принципиальной схемой, иллюстрирующей результат тестирования первой антенны, согласно примерному варианту осуществления. Как показано на фиг. 4A, ось абсцисс представляет частоту, а вертикальная ось представляет перекрестные помехи, наведенные для первой антенны 11 посредством второй антенны 21, их единицами являются децибелы (дБ). Когда первая антенна 11 представляет собой разнесенную антенну в позиции, в которой символ «Δ» помечается в качестве 1, частота, соответствующая оси абсцисс, составляет 2,4 ГГц и значение, соответствующее вертикальной оси, составляет -16,205 дБ; в позиции, в которой символ «Δ» помечается в качестве 2, частота, соответствующая оси абсцисс, составляет 2.5 ГГц, и значение, соответствующее вертикальной оси, составляет -9,3160 дБ; в позиции, в которой символ «Δ» помечается в качестве 3, частота, соответствующая оси абсцисс, составляет 5,15 ГГц и значение, соответствующее вертикальной оси, составляет -10,371 дБ; и в позиции, в которой символ «Δ» помечается в качестве 4, частота, соответствующая оси абсцисс, составляет 5,8 ГГц и значение, соответствующее вертикальной оси, составляет -25,938 дБ. Потери разнесенной антенны достигают минимума в точке (между меткой 1 и меткой 2) первой резонансной частоты (приблизительно 2,4 ГГц) разнесенной антенны и значение потерь составляет ниже -16 дБ. Разнесенная антенна также может достигать относительных небольших потерь в точке (соответствующей окрестности метки 4) второй резонансной частоты (приблизительно 5,8 ГГц) разнесенной антенны и значение потерь составляет ниже значения -25,938 дБ, соответствующего метке 4. Из вышеприведенного следует отметить, что настоящее раскрытие сущности позволяет значительно уменьшать перекрестные помехи для разнесенной антенны посредством Wi-Fi-антенны, в силу чего разнесенная антенна может испускать большую энергию излучения наружу через первый контур.
[0052] Фиг. 4B является принципиальной схемой, иллюстрирующей результат тестирования второй антенны, согласно примерному варианту осуществления. Как показано на фиг. 4B, ось абсцисс представляет частоту и вертикальная ось представляет перекрестные помехи, наведенные для второй антенны 21 посредством первой антенны 11, их единицами являются децибелы (дБ). Когда вторая антенна 21 представляет собой разнесенную антенну в позиции, в которой символ «Δ» помечается в качестве 5, частота, соответствующая оси абсцисс, составляет 770 МГц, и значение, соответствующее вертикальной оси, составляет -4,7798 дБ; в позиции, в которой символ «Δ» помечается в качестве 6, частота, соответствующая оси абсцисс, составляет 960 МГц, и значение, соответствующее вертикальной оси, составляет -3,6482 дБ; в позиции, в которой символ «Δ» помечается в качестве 7, частота, соответствующая оси абсцисс, составляет 1,7082 ГГц, и значение, соответствующее вертикальной оси, составляет -25,202 дБ; в позиции, в которой символ «Δ» помечается в качестве 8, частота, соответствующая оси абсцисс, составляет 2,17 ГГц, и значение, соответствующее вертикальной оси, составляет -15,382 дБ; в позиции, в которой символ «Δ» помечается в качестве 9, частота, соответствующая оси абсцисс, составляет 2,69 ГГц, и значение, соответствующее вертикальной оси, составляет -8,2518 дБ.
[0053] Wi-Fi-антенна достигает минимальных потерь в точке (соответствующей позиции метки 7) третьей резонансной частоты (приблизительно 1,7082 ГГц) Wi-Fi-антенны, и значение потерь достигает -25 дБ. Wi-Fi-антенна также может достигать относительных небольших потерь в точке (соответствующей позиции перед меткой 8) четвертой резонансной частоты (ниже частоты 2,17 ГГц, соответствующей метке 8) Wi-Fi-антенны. Из вышеприведенного следует отметить, что настоящее раскрытие сущности позволяет значительно уменьшать перекрестные помехи для Wi-Fi-антенны посредством разнесенной антенны, в силу чего Wi-Fi-антенна может испускать большую энергию излучения наружу через второй и третий контуры.
[0054] Фиг. 4C является принципиальной схемой, иллюстрирующей результат тестирования развязки между первой антенной и второй антенной, согласно примерному варианту осуществления. Как показано на фиг. 4C, ось абсцисс представляет частоту, и вертикальная ось представляет развязку между первой антенной 11 и второй антенной 21, их единицами являются децибелы (дБ). В позиции, в которой символ «Δ» помечается в качестве 10, частота, соответствующая оси абсцисс, составляет 820 МГц, и значение, соответствующее вертикальной оси, составляет -42,355 дБ; в позиции, в которой символ «Δ» помечается в качестве 11, частота, соответствующая оси абсцисс, составляет 960 МГц, и значение, соответствующее вертикальной оси, составляет -34,734 дБ; в позиции, в которой символ «Δ» помечается в качестве 12, частота, соответствующая оси абсцисс, составляет 1,71 ГГц, и значение, соответствующее вертикальной оси, составляет -28,973 дБ; в позиции, в которой символ «Δ» помечается в качестве 13, частота, соответствующая оси абсцисс, составляет 2,17 ГГц, и значение, соответствующее вертикальной оси, составляет -19,948 дБ; в позиции, в которой символ «Δ» помечается в качестве 14, частота, соответствующая оси абсцисс, составляет 2,3 ГГц, и значение, соответствующее вертикальной оси, составляет -17,633 дБ; в позиции, в которой символ «Δ» помечается в качестве 15, частота, соответствующая оси абсцисс, составляет 2,4 ГГц, и значение, соответствующее вертикальной оси, составляет -17,447 дБ; в позиции, в которой символ «Δ» помечается в качестве 16, частота, соответствующая оси абсцисс, составляет 2,49 ГГц, и значение, соответствующее вертикальной оси, составляет -18,125 дБ; и в позиции, в которой символ «Δ» помечается в качестве 17, частота, соответствующая оси абсцисс, составляет 2,69 ГГц, и значение, соответствующее вертикальной оси, составляет -25,398 дБ.
[0055] Из вышеприведенного следует отметить, что в полосе частот 700-2,69GHz, развязка между разнесенной антенной и Wi-Fi-антенной всегда составляет ниже -15 дБ. Из вышеприведенного следует отметить, что настоящее раскрытие сущности позволяет значительно уменьшать развязку между первой антенной и второй антенной.
[0056] Фиг. 5 является блок-схемой, иллюстрирующей мобильный терминал, согласно примерному варианту осуществления. Например, устройство 500 может представлять собой мобильный телефон, компьютер, цифровой широковещательный терминал, устройство для обмена сообщениями, игровую приставку, планшетный компьютер, медицинское устройство, тренажерное оборудование, персональное цифровое устройство и т.п.
[0057] Ссылаясь на фиг. 5, устройство 500 может включать в себя один или более из следующих компонентов: компонент 502 обработки, запоминающее устройство 504, компонент 506 питания, мультимедийный компонент 508, аудиокомпонент 510, интерфейс 512 ввода-вывода, сенсорный компонент 514 и компонент 516 связи.
[0058] Компонент 502 обработки типично полностью управляет работой устройства 500, к примеру операциями, ассоциированными с отображением, телефонными вызовами, передачей данных, операциями камеры и операциями записи. Компонент 502 обработки может включать в себя один или более процессоров 520 для того, чтобы выполнять инструкции, чтобы выполнять все или часть этапов в вышеописанных способах. Кроме того, компонент 502 обработки может включать в себя один или более модулей, которые упрощают взаимодействие между компонентом 502 обработки и другими компонентами. Например, компонент 502 обработки может включать в себя мультимедийный модуль для того, чтобы упрощать взаимодействие между мультимедийным компонентом 508 и компонентом 502 обработки.
[0059] Запоминающее устройство 504 выполнено с возможностью сохранять различные типы данных для того, чтобы поддерживать работу устройства 500. Примеры таких данных включают в себя инструкции для любых приложений или способов, работающих на устройстве 500, контактные данные, данные телефонной книги, сообщения, изображения, видео и т.д. Запоминающее устройство 504 может реализовываться с использованием любого типа энергозависимых или энергонезависимых запоминающих устройств либо комбинации вышеозначенного, например, как статическое оперативное запоминающее устройство (SRAM), электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EEPROM), стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EPROM), программируемое постоянное запоминающее устройство (PROM), постоянное запоминающее устройство (ROM), магнитное запоминающее устройство, флэш-память, магнитный или оптический диск.
[0060] Компонент 506 питания предоставляет питание в различные компоненты устройства 500. Компонент 506 питания может включать в себя систему управления питанием, один или более источников питания и любые другие компоненты, ассоциированные с формированием, управлением и распределением питания устройства 500.
[0061] Мультимедийный компонент 508 включает в себя экран, предоставляющий интерфейс вывода между устройством 500 и пользователем. В некоторых вариантах осуществления экран может включать в себя жидкокристаллический дисплей (ЖК-дисплей) и сенсорную панель (TP). Если экран включает в себя сенсорную панель, экран может быть реализован в качестве сенсорного экрана для того, чтобы принимать входные сигналы от пользователя. Сенсорная панель включает в себя один или более датчиков касания для того, чтобы считывать касания, проведения по экрану и жесты на сенсорной панели. Датчики касания могут не только считывать границу действия касания или проведения по экрану, но также и считывать период времени и давление, ассоциированное с действием касания или проведения по экрану. В некоторых вариантах осуществления мультимедийный компонент 508 включает в себя фронтальную камеру и/или тыловую камеру. Фронтальная камера и тыловая камера могут принимать внешние мультимедийные данные в то время, когда устройство 500 находится в рабочем режиме, к примеру в режиме фотосъемки или в видеорежиме. Каждая из фронтальной камеры и тыловой камеры может представлять собой систему с фиксированной оптической линзой либо иметь характеристики фокусировки и оптического масштабирования.
[0062] Аудиокомпонент 510 выполнен с возможностью выводить и/или вводить аудиосигналы. Например, аудиокомпонент 510 включает в себя микрофон (MIC), выполненный с возможностью принимать внешний аудиосигнал, когда устройство 500 находится в рабочем режиме, к примеру в режиме вызова, в режиме записи и в режиме распознавания речи. Принимаемый аудиосигнал может быть дополнительно сохранен в запоминающем устройстве 504 или передан через компонент 516 связи. В некоторых вариантах осуществления аудиокомпонент 510 дополнительно включает в себя динамик для того, чтобы выводить аудиосигналы.
[0063] Интерфейс 512 ввода-вывода предоставляет интерфейс между компонентом 502 обработки и периферийными интерфейсными модулями, такими как клавиатура, колесико с кнопками, кнопки и т.п. Кнопки могут включать в себя, но не только, кнопку перехода на домашнюю страницу, кнопку громкости, кнопку запуска и кнопку блокировки.
[0064] Сенсорный компонент 514 включает в себя один или более датчиков для того, чтобы предоставлять оценки состояния различных аспектов устройства 500. Например, сенсорный компонент 514 может обнаруживать открытое/закрытое состояние устройства 500, относительное позиционирование компонентов, например, дисплея и клавишной панели, устройства 500, изменение позиции устройства 500 или компонента устройства 500, присутствие или отсутствие контакта пользователя с устройством 500, ориентацию или ускорение/замедление устройства 500 и изменение температуры устройства 500. Сенсорный компонент 514 может включать в себя бесконтактный датчик, выполненный с возможностью обнаруживать присутствие находящихся рядом объектов без физического контакта. Сенсорный компонент 514 также может включать в себя светочувствительный датчик, такой как CMOS- или CCD-датчик изображений, для использования в приложениях формирования изображений. В некоторых вариантах осуществления сенсорный компонент 514 также может включать в себя датчик акселерометра, гиродатчик, магнитный датчик, датчик давления или температурный датчик.
[0065] Компонент 516 связи выполнен с возможностью упрощать связь, в проводном или в беспроводном режиме, между устройством 500 и другими устройствами. Устройство 500 может осуществлять доступ к беспроводной сети на основе стандарта связи, такого как Wi-Fi, 2G, или 3G, или комбинация вышеозначенного. В одном примерном варианте осуществления компонент 516 связи принимает широковещательный сигнал или ассоциированную с широковещательной передачей информацию из внешней системы управления широковещательной передачей через широковещательный канал. В одном примерном варианте осуществления компонент 516 связи дополнительно включает в себя модуль связи в поле в ближней зоне (NFC) для того, чтобы упрощать ближнюю связь. Например, NFC-модуль может реализовываться на основе технологии радиочастотной идентификации (RFID), технологии по стандарту Ассоциации по передаче данных в инфракрасном диапазоне (IrDA), технологии по стандарту сверхширокополосной связи (UWB), технологии Bluetooth (BT) и другие технологии.
[0066] В примерных вариантах осуществления устройство 500 может реализовываться с помощью одной или более специализированных интегральных схем (ASIC), процессоров цифровых сигналов (DSP), устройств обработки цифровых сигналов (DSPD), программируемых логических устройств (PLD), программируемых пользователем вентильных матриц (FPGA), контроллеров, микроконтроллеров, микропроцессоров или других электронных компонентов для осуществления вышеописанных способов.
[0067] Другие варианты осуществления изобретения должны быть очевидными для специалистов в области техники из изучения технического описания и практического применения изобретения, раскрытого в данном документе. Эта заявка имеет намерение охватывать все изменения, варианты использования или адаптации изобретения согласно его общим принципам, в том числе такие отклонения от настоящего раскрытия сущности, которые попадают в рамки известной или общепринятой практики в данной области техники. Данное подробное описание и примеры должны рассматриваться только как примерные, при этом истинный объем и сущность изобретения указываются посредством прилагаемой формулы изобретения.
[0068] Следует принимать во внимание, что настоящее изобретение не ограничено точной структурой, которая описана выше и проиллюстрирована на прилагаемых чертежах, и что различные модификации и изменения могут вноситься без отступления от его объема. Подразумевается, что объем изобретения должен быть ограничен только посредством прилагаемой формулы изобретения.
edrid.ru
Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в системах шумопеленогования при построении приемных антенн, разнесенных друг от друга вдоль борта корабля, для определения дистанции в пассивном режиме.
Известна конструкция гидроакустической антенны по патенту Японии №3635568, в которой гидроакустические преобразователи установлены на общем основании, укрепленном на корпусе судна, и имеют обтекатель, установленный с зазором, заполняемым водой. Такая конструкция технологична, широко распространена при изготовлении судовых антенн, однако она имеет ряд недостатков, особенно возникающих при проектировании бортовых антенн, корпуса носителей которых предварительно закрыты звукопоглощающим покрытием. Необходимость крепления гидроакустических преобразователей антенны к основному корпусу судна существенно нарушает целостность экранировки, ухудшая помехозащищенность. При этом увеличивается габаритный размер (глубина) антенны и увеличивается отражающая способность судна.
Известны конструкции акустических антенн (акустических модулей), расположенных в цилиндрических кожухах, содержащие внутри себя электронное оборудование и заполнитель (вещество из класса полиуретановых смол) («Акустическая антенна» по патенту РФ №43084 и «Буксируемый электронный стример» по патенту США №5400298), у которых электронная часть для предварительной обработки аналогового сигнала гидроакустических преобразователей расположена в непосредственной близости от них, что приводит к улучшению помехоустойчивости антенн в поле воздействия электромагнитных помех. Однако указанные конструкции предназначены для буксируемых антенн, а размещение антенны на корпусе судна требует существенной доработки с введением обтекателей и защиты от структурной помехи.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по совокупности общих признаков является конструкция «Антенного модуля с цифровым выходом» по патенту РФ №2366104.
Согласно описанию прототипа антенный модуль с цифровым выходом содержит герметичный блок гидроакустических преобразователей, герметизированных эластомером, закрепленных на несущем основании, крепящемся к корпусу судна, герметичный контейнер, в котором размещен блок предварительной обработки сигналов (блок ПОС), осуществляющий усиление, фильтрацию и преобразование аналоговых сигналов в цифровые коды с уплотнением выходной цифровой информации, установленный на тыльной стороне блока акустических преобразователей.
Указанная конструкция прототипа имеет повышенную помехоустойчивость в поле воздействия электромагнитных помех из-за расположения блока предварительной обработки вблизи блока преобразователей и малое число выходных кабелей, идущих от акустического модуля в основной корпус благодаря наличию уплотнения цифрового сигнала в блоке ПОС
Недостатком антенного модуля прототипа является его слабая помехозащищенность в поле воздействия акустических помех, обусловленная креплением блока гидроакустических преобразователей к корпусу судна, что приводит к проникновению структурной помехи, распространяющейся по корпусу (через элементы крепления) на активную поверхность преобразователей.
Задачей изобретения является повышение помехоустойчивости антенного модуля.
Технический результат от внедрения предложения заключается в существенном снижении уровней принимаемой корабельной структурной помехи и акустических помех, возникающих от изгибных волн, распространяющихся вдоль корпуса носителя, Кроме того, такая конструкция уменьшает демаскирующий фактор носителя, Улучшаются условия транспортировки модуля, его сборки и установки на носителе.
Для обеспечения указанных технических результатов в антенный модуль с цифровым выходом, установленный на облицованном заглушающим покрытием корпусе носителя, содержащий блок гидроакустических преобразователей, герметизированный эластомером, и герметичный аппаратурный контейнер, в котором размещен блок предварительной обработки сигналов, осуществляющий усиление и преобразование аналоговых сигналов в цифровые коды с уплотнением выходной информации и имеющий герметичные разъемы для ввода аналогового сигнала от гидроакустических преобразователей, введены новые признаки, а именно: в него введен установленный на облицованном заглушающим покрытием корпусе носителя обтекатель, механически развязанный от него, внутри обтекателя установлен блок гидроакустических преобразователей, выполненный в виде антенной решетки, представляющей собой дискретную плоскую антенну из гидроакустических преобразователей, пространство между обтекателем, антенной решеткой и между гидроакустическими преобразователями антенной решетки заполнено эластомером, механически соединяющим антенную решетку и обтекатель в монолитный блок, между заглушающим покрытием и антенным модулем с цифровым выходом имеется водный зазор, при этом расстояние по нормали между активной поверхностью антенной решетки и обтекателем равно λи/4, где λи — длина изгибной волны в конструкции обтекателя на средней частоте рабочего диапазона, а герметичный аппаратурный контейнер встроен в обтекатель за пределами монолитного блока со стороны его боковой поверхности.
Наилучший результат достигается, если антенная решетка выполнена двухрядной, пространство между рядами заполнено эластомером, расстояние по нормали между рядами равно λэ/4 (где λэ — длина звуковой волны в эластомере на верхней частоте рабочего диапазона), причем каждые два гидроакустических преобразователя первого и второго ряда двухрядной антенной решетки, лежащие на одной нормали к ее активной поверхности, электрически соединены, формируя характеристику направленности в виде кардиоиды, минимум которой направлен в сторону корпуса судна.
В разработанной конструкции антенный модуль с цифровым выходом не крепится к корпусу носителя (судна), а размещается в массиве эластомера, заполняющего внутренний объем обтекателя, и адгезионно связан с его внутренней поверхностью. Отсутствие элементов крепления блока гидроакустических преобразователей непосредственно к основному корпусу судна обеспечивает существенное снижение уровня корабельной структурной помехи, попадающей на приемные элементы. При этом заполнение зазора между обтекателем и поверхностью приемных элементов эластомером с толщиной, равной λи/4, способствует дополнительному уменьшению акустических помех, возникающих от воздействия изгибных волн, распространяющихся вдоль корпуса корабля и обтекателя при движении.
Указанные факторы, а также использование двухрядного расположения приемных элементов в антенне (для формирования характеристик направленности типа «кардиоида») в сочетании с отсутствием многочисленных и протяженных электрических кабелей позволяют изготовить помехозащищенную конструкцию, устойчивую при работе в полях акустических и электромагнитных помех, имеющую относительно малую толщину, удобную в процессе настройки, транспортировки и установки на носитель. Такая конструкция позволяет уменьшить толщину обтекателя за счет заливки внутреннего объема обтекателя эластомером; не разрушать звукопоглощающее покрытие носителя, что улучшает его демаскирующий фактор, способствует созданию однокорпусных судов.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2 и 3, где на фиг.1 показан пример конструктивной компоновки предлагаемого антенного модуля с двухрядной антенной решеткой, на фиг.2 и 3 показаны характеристики направленности отдельных рядов (1, 2) в составе антенны, а также при их кардиоидном включении на частотах 1,5 и 2 кГц соответственно, при работе переднего ряда — пунктирная линия 21, тыльного ряда — штрихпунктирная линия 22 и двухрядной антенны, включенной по системе «кардиоида», — сплошная линия 23.
Представленный на фиг.1 антенный модуль с цифровым выходом выполнен в виде сборной конструкции, состоящей из трех основных частей: блока гидроакустических преобразователей, блока предварительной обработки аналогового сигнала ПОС и обтекателя антенного модуля.
Блок 19 гидроакустических преобразователей состоит из 192 преобразователей, расположенных двумя рядами ((12×8)×2), с номерами от 1 до 96 и от 97 до 192, соответственно, экранированных от воздействия электрической составляющей электромагнитного поля электростатическими экранами 16. Блок 19 гидроакустических преобразователей залит эластомером 6 (в этом примере в качестве эластомера выбран полиуретановый заливочный компаунд марки ПУ-ЗК). Расстояние между преобразователями 18 составляет по горизонтали — 100 мм и по вертикали — 120 мм. Расстояние между рядами 1 и 2 составляет 40 мм, что соответствует частоте 9,2 кГц. В качестве гидроакустических преобразователей использованы изгибные пластинчатые преобразователи биморфного типа (см. «Ультразвуковые преобразователи», Е. Кикучи, Москва, 1972, стр.258).
Блок 4 предварительной обработки аналогового сигнала (ПОС), расположен в герметичном контейнере 3, к входу которого герметичными электрическими разъемами 7 подключены выходы гидроакустических преобразователей 18. Электрическое напряжение 27 В для питания блока ПОС введено электрическим кабелем 10 типа СМПЭВГ 100-1000, 27×0,75. Акустический сигнал от блока ПОС в цифровом виде выведен оптическим кабелем 11 типа ОКНС-03-4/0-10 диаметром 8 мм через герметичный разъем 17.
Обтекатель 5 антенного модуля выполнен в данной конструкции из титанового сплава. Передняя часть обтекателя, находящаяся за пределами блока гидроакустических преобразователей, имеет съемную крышку 8 для установки электронных блоков ПОС 4 в контейнер 3. При этом корпус контейнера 3, являющийся силовой конструкцией, приварен к обтекателю 5 и является его частью. Внутренний объем обтекателя с установленными в нем блоком гидроакустических преобразователей и корпусом герметичного блока ПОС залит компаундом-эластомером 6. Между эластомером и обтекателем имеется слой 6а тонкой резины, привулканизованный к внутренней поверхности обтекателя.
Антенный модуль с цифровым выходом установлен на корпус 13 носителя с использованием резинометаллических двусторонних развязок 12. Между тыльной поверхностью монолитного блока 19 гидроакустических преобразователей и поверхностью звукопоглощающего покрытия 6 выполнен заполненный водой зазор 20 (толщиной 5 мм).
Работа заявленного антенного модуля происходит следующим образом. Гидроакустические сигналы, проходя через тонкостенную оболочку обтекателя 5 антенного модуля и звукопрозрачный слой эластомера 6 — заполнителя обтекателя, воздействуют на поверхности гидроакустических преобразователей 8, вызывая их вынужденные механические колебания и появление электрического напряжения (заряда) на их электрических выводах. Через электрические разъемы аналоговый электрический сигнал попадает на вход блока ПОС, осуществляющего предварительное усиление аналогового сигнала, его фильтрацию, преобразование в цифровой код, уплотнение информации, преобразование в световой сигнал и передачу по оптическому кабелю 11 в основной корпус судна.
В зависимости от заданных углов обзора и диапазона частот геометрическое расположение гидроакустических преобразователей двухрядной антенной решетки обеспечивает возможность формирования веера однолучевых характеристик направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях. При этом обеспечиваются возможности формирования характеристик направленности как отдельными рядами, так и двумя рядами, гидроакустические преобразователи которых, расположенные друг за другом на одной нормали к активной поверхности двухрядной решетки на расстоянии λэ/4 друг от друга, включены по системе «кардиоида» (см. Гидроакустические антенны», М.Д. Смарышев, Ю.Ю. Добровольский, стр.167.)
Характеристика направленности в этом случае имеет малые уровни сигнала в тыльном полупространстве (и большие в переднем) и имеет вид
[R(θ)=(sinkd)-1sin[0,5kd(1+cosθ)],
где θ — угол, отсчитываемый от нормали к антенне в горизонтальной (вертикальной) плоскости;
k — волновое число, k=2π/λ;
λ — длина звуковой волны в воде, м;
d — расстояние между центрами рядов по нормали к антенне, м.
В рассматриваемой конструкции гидроакустические преобразователи расположены внутри слоя полиуретанового компаунда, адгезионно связанного с внутренней поверхностью обтекателя. Крепление преобразователей к корпусу носителя и к поглощающему покрытию, которым он облицован, отсутствует. Обтекатель с размещенной внутри него антенной устанавливается на корпус носителя через механические развязки 12 с водяным зазором 20 между антенной и поглощающим покрытием.
Такая конструкция существенно уменьшает влияние структурной помехи, распространяющейся по корпусу носителя.
Кардиоидное включение преобразователей создает дополнительное уменьшение уровня сигнала в тыльном полупространстве.
Экспериментальная отработка предлагаемого антенного модуля была проведена в полном соответствии с вышеописанной конструкцией, представленной на фиг.1. Представленные на фиг.2-3 характеристики направленности образца, измеренные на частотах 1,5 кГц и 2 кГц, при работе переднего ряда (пунктирная линия 1), тыльного ряда (штрихпунктирная линия 2) и двухрядной антенны, включенной по системе «кардиоида» (сплошная линия 3), показывают, что уровень сигнала в тыльной части антенны в углах обзора ±(140-180)° уменьшается на 8-20 дБ.
Приведенные сведения позволяют считать, что заявленный технический результат достигнут.
edrid.ru
Изобретение относится к радиотехнике, а именно к активным антенным модулям, и может быть использовано для приема, усиления, фильтрации и первичной обработки радиосигналов, в частности в качестве приемного антенного модуля в аппаратуре пользователей космических навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС/GPS/GALILEO), а также в качестве базового элемента цифровых активных решеток.
С появлением миниатюрных микросборок навигационных GPS приемников появилась возможность создания приемных антенных модулей, включающих антенный элемент и микросхему (чипсет) приемника. Выдача сигнала на обработку в этом случае осуществляется в цифровом виде, что повышает помехоустойчивость всей аппаратуры [сайт www.gps-profi.ru/receiver.php — универсальный GPS-USB приемник JJ-Connect H-Sense, GlobalSat BU-353 USB GPS приемник, Altina GPS приемник GGM-309R (RS232), Altina GPS USB-приемник GGM-309U]. Имеется также большой класс GPS- USB приемников со встроенной антенной, в которых обмен с внешним устройством осуществляется по каналу Bluetooth [сайт www.gps-profi.ru/receiver.php — Bluetooth GPS приемники JJ-Connect Touch, GlobalSat BT-335, GlobalSat BT-338, GlobalSat BU-355, GlobalSat BT-359, GlobalSat BT-368, Altina GBT-709, Altina GGM-309U, Navitel RX200BT, eXtreme BTGPS001, Jet, Pocket Nature Solar GPS, SAVAN GSS (A), SAVAN GSS (B), Holux GR 236, Holux M 1200, Holux GPSlim GR-240, Holux GPS Gspase GS-R238, Royaltek Bluetooth GPS mini, Pretekc Bluetooth GPS mini, Rikaline 6030 Bluetooth GPS].
В последнее время появились миниатюрные микросборки (чипсеты) ГЛОНАСС/ GPS приемников, например ГЛОНАСС/GPS модули НАВИА® ML8088, NV08C-MCM, ГЕОС-3М, которые предназначены для вычисления текущих координат и скорости объекта в реальном масштабе времени в автономном режиме, формирования секундной метки времени и обмена с внешним оборудованием по последовательным портам RS232 (ML8088, NV08C-MCM, ГЕОС-3М) и USB (NV08C-MCM, ML8088). Поэтому появилась возможность создания приемных модулей, совмещающих плату приемника и антенну в едином корпусе и осуществляющих первичную обработку аналогового сигнала, преобразование его в цифровую форму и выдачу сигнала в цифровом виде.
Такой навигационный USB-приемник был создан ЗАО «КБ НАВИС» и представляет собой плату навигационного приемника с установленным на ней антенным элементом, которая снизу закрыта металлическим экраном и помещена внутри модульного полимерного корпуса, кабель выведен наружу и заканчивается USB-разъемом [www.navis.ru/news_ page _10.htm — USB-приемник СН-4711].
Однако такая конструкция USB-приемников, как GPS, так и ГЛОНАСС/GPS, не обеспечивает их достаточную механическую прочность и достаточный коэффициент усиления антенного элемента при углах, близких к экранной плоскости, что приводит к потере сигнала от спутников, находящихся вблизи горизонта. Модули также недостаточно герметичны в силу негерметичности мест соединения и имеют сложную конструкцию.
Известен также GPS приемник, включающий чипсет и антенну, которые смонтированы в герметичном корпусе с выводом сигнала со стороны крышки (вниз). Он предназначен для стационарной установки на транспорте [сайт www.gps-profi.ru/receiver.php — GlobalSat GPS приемник MR-350].
Этот модуль имеет большие габариты и сложность конструкции.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению является приемный антенный модуль (ПАМ), состоящий из антенного элемента, включающего диэлектрическую подложку, выполненную в виде перевернутого стакана с уступом на торцевой поверхности стенки и металлизированной внутренней поверхностью, и печатный проводник, расположенный на внешней стороне дна стакана подложки, платы приемника, расположенной на металлизированной поверхности подложки и включающей последовательно соединенные однокаскадный малошумящий усилитель и фильтр, вход усилителя электрически соединен перемычкой с печатным проводником антенного элемента, крышки, закрепленной в уступе стакана подложки и имеющей средства крепления к металлическому экрану, и кабеля с соединителем на конце, присоединенного к выходу платы приемника, при этом антенный элемент покрыт защитным радиопрозрачным слоем, а модуль имеет металлизированное отверстие для вывода кабеля [Патент РФ №58798, кл. H01Q 1/38, опубл. 27.11.2006].
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, а упомянутый фильтр является фильтром на поверхностных акустических волнах (ПАВ-фильтр).
В частном варианте выполнения антенны вывод кабеля через металлизированное отверстие снабжен резиновым патрубком с выступами.
В другом частном варианте выполнения антенны упомянутый фильтр расположен после первого каскада усиления малошумящего усилителя.
Однако это устройство имеет также недостатки — недостаточно высокая функциональность и помехозащищенность (в силу работы только с аналоговыми сигналами), а также то, что малые габариты керамического корпуса, как и всей приемной антенны, могут быть достигнуты только за счет применения керамики с высоким (более 10) значением относительной диэлектрической проницаемости, что приводит к усложнению процесса изготовления модуля и соответственно приводит к повышению его себестоимости.
Технической задачей заявленного изобретения является повышение помехозащищенности и уменьшение габаритов приемного антенного модуля (ПАМ).
Кроме того, технической задачей заявленного изобретения является повышение технологичности изготовления и снижение себестоимости приемного антенного модуля.
Технический результат достигается тем, что в приемном антенном модуле, состоящем из антенного элемента, включающего диэлектрическую подложку, выполненную в виде перевернутого стакана с уступом на торцевой поверхности стенки и металлизированной внутренней поверхностью, и печатный проводник, расположенный на внешней стороне дна стакана подложки, платы приемника, расположенной на металлизированной поверхности подложки и включающей последовательно соединенные однокаскадный малошумящий усилитель и фильтр, вход усилителя электрически соединен перемычкой с печатным проводником антенного элемента, крышки, закрепленной в уступе стакана подложки и имеющей средства крепления к металлическому экрану, и кабеля с соединителем на конце, присоединенного к выходу платы приемника, при этом антенный элемент покрыт защитным радиопрозрачным слоем, а модуль имеет металлизированное отверстие для вывода кабеля, печатный проводник антенного элемента выполнен в виде структуры метаматериала, диэлектрическая подложка выполнена из полимерного материала с относительной диэлектрической проницаемостью менее 6,0, плата приемника снабжена ограничительной диодной сборкой, подключенной к перемычке параллельно входу малошумящего усилителя, и микросборкой приемника с цифровым выходом, подключенной к фильтру, кабель выполнен многопроводным, а его соединитель выполнен в виде USB-разъема, кабель пропущен через тонкостенную металлическую трубку, укрепленную одним концом в металлизированном отверстии модуля и другим концом механически его обжимающую, и герметизирован на выходе из металлической трубки клеевой термоусадочной трубкой.
Целесообразно крышку выполнить из магнитопласта с металлизированной верхней поверхностью и закрыть снизу защитной пленкой, при этом экран выполнить магнитопроводящим.
Кроме того, целесообразно крышку выполнить из металла и покрыть снизу клеевым составом для крепления модуля к экрану.
Целесообразно металлизированное отверстие модуля выполнить в стенке стакана подложки или в крышке, при этом крышку выполнить металлической с не менее одним цилиндрическим выступом с резьбой для крепления к экрану с помощью контргайки.
Предпочтительно, чтобы печатный проводник представлял собой структуру произвольной формы, состоящую из не менее двух секторных элементов, разделенных радиальными щелями и имеющих не менее шести дугообразных щелей, и сквозного проводящего стержня симметричной формы, который установлен в центре диска и электрически соединен с секторными элементами и металлизированной поверхностью подложки.
При этом конфигурация внешней формы печатного проводника может быть произвольной, например прямоугольной, квадратной, многоугольной, эллипсоидной и т.п.
Целесообразно для создания поля круговой поляризации форму печатного проводника выбрать осесимметричной, количество секторных элементов печатного проводника выбрать кратным четырем, а сектор, смежный с сектором, имеющим контакт с перемычкой, со стороны контакта наполовину металлизировать, а для создания правой поляризации поля излучения металлизацию сектора расположить слева от сектора с контактом перемычки, а для левой поляризации поля излучения металлизацию сектора расположить справа от сектора с контактом перемычки.
Предпочтительно подложку антенного элемента выполнить из высокопрочной керамики, или керамосодержащего композита, а при выполнении малошумящего усилителя и фильтра встроенными в микросборке приемника последнюю подключить к перемычке.
На фиг.1 представлен общий вид ПАМ с USB-выводом вбок.
На фиг.2 — функциональная схема платы приемника.
На фиг.3 — общий вид ПАМ с USB-выводом вниз.
На фиг.4 — вариант печатного проводника антенного элемента с линейной поляризацией поля излучения.
На фиг.5 — вариант печатного проводника антенного элемента с круговой поляризацией поля излучения.
На фиг.6 — фотография навигационного приемного антенного модуля ГЛОНАСС/GPS.
На фиг.7 — коэффициент стоячей волны (КСВ) входа антенного элемента.
На фиг.8 — диаграммы направленности (ДН) антенного элемента от угла θ на частоте 1600 МГц при угле φ=90 градусов.
На фиг.9 — поляризационная диаграмма антенного элемента от угла θ на частоте 1699 МГц при угле φ=99 градусов.
На фиг.10 — ДН антенного элемента от угла φ для частоты 1600 МГц при угле θ=75 градусов.
На фиг.11 — принципиальная схема ГЛОНАСС/GPS навигационного USB-приемного антенного модуля.
На фиг.12 — захват спутников ГЛОНАСС, GPS (раздельно) и результат вычисления текущих координат на персональном компьютере.
Приемный антенный модуль состоит из антенного элемента, включающего печатный проводник 1 и диэлектрическую подложку 2 с металлизацией нижней поверхности 3, платы приемника 4, многопроводного кабеля 5 с USB-соединителем 6 на конце, крышки 7, защитного радиопрозрачного слоя 8, перемычки 9, защитной пленки 10, тонкостенной металлической трубки 11, клеевой термоусадочной трубки 12, металлического экрана 13.
Диэлектрическая подложка 2 антенного элемента выполнена в виде перевернутого стакана с уступом на торцевой поверхности стенки и экранной металлизированной внутренней поверхностью 3.
Диэлектрическая подложка 2 может быть выполнена с металлизированным отверстием в ее боковой стенке.
Подложка 2 антенного элемента может быть выполнена из высокопрочной керамики, керамосодержащего композита, а также из диэлектрического полимерного вещества.
Для удешевления антенного элемента подложка и проводник могут быть методом литья из полимерного материала с относительной диэлектрической проницаемостью менее 6,0.
Печатный проводник 1 расположен на внешней стороне дна стакана подложки 2 и выполнен произвольной формы.
Плата приемника 4 закреплена на металлизированной нижней поверхности внутренней полости стакана диэлектрической подложки 2. Плата приемника включает однокаскадный малошумящий усилитель (МШУ) поз.15 (Фиг.2), выполненный в виде одной микросхемы, ограничительную диодную сборку поз.14, подключенную параллельно с входом микросхемы к перемычке 9, микросборку приемника поз.17 с цифровым выходом и ПАВ-фильтр поз.16, включенный между усилителем поз.15 и микросборкой приемника поз.17.
В частном варианте при наличии встроенных МШУ поз.15 и фильтра поз.16 в микросборке приемника поз.17 последняя может быть подключена непосредственно к перемычке 9 (выходу антенного элемента).
Вход МШУ поз.15 электрически соединен с помощью перемычки 9 с печатным проводником 1 антенного элемента, обеспечивая кондуктивный тип связи. При этом точка соединения с печатным проводником 1 выбирается из условия их оптимального согласования по импедансу.
Многопроводный кабель 5 служит для соединения выхода платы приемника 4 с внешним цифровым приемным устройством, в котором осуществляется окончательная цифровая обработка сигнала и выдача (визуализация) результатов обработки. По кабелю 5 осуществляется также подача напряжения питания в плату приемника 4 и обмен служебной информацией между микросборкой приемника поз.17 и внешним цифровым приемным устройством.
Один конец кабеля 5 пропущен через тонкостенную металлическую трубку 11, которая одним концом закреплена, например, в боковом отверстии диэлектрической подложки 2, распаян к выходу микросборки приемника поз.17, обжат механически на выходе из трубки 11, а на другой его конец установлен USB-соединитель 6. Выход кабеля 5 из трубки 11 герметизирован с помощью клеевой термоусадочной трубки 12.
Крышка 7 может быть выполнена из магнитопласта с металлизированной верхней поверхностью, закреплена в уступе стакана подложки 2 таким образом, чтобы иметь электрический контакт с ее металлизированной внутренней поверхностью 3, и закрыта снизу защитной пленкой 10. Крышка 7 служит также для крепления приемного антенного модуля к магнитопроводящему экрану 13, образуя с ним так называемый «магнитный замок».
Кроме того, крышка 7 может быть выполнена из металла, снизу покрыта клеевым составом, который, в свою очередь, закрыт защитной пленкой 10. Крепление приемного антенного модуля в этом случае производится к экрану 13 путем его приклеивания после предварительного снятия защитной пленки 10.
Проводящий экран 13 служит для создания преимущественно однонаправленного приема сигнала антенным элементом. При этом форма диаграммы направленности формируется антенным элементом и экраном 13.
Снаружи антенный элемент покрыт защитным радиопрозрачным слоем 8.
На фиг.3 изображен другой, стационарный, вариант конструктивного исполнения заявляемого ПАМ с выводом сигнала вниз, со стороны крышки 7. В этом случае имеется соответствующее отверстие в крышке 7, в которое вмонтирована одним концом тонкостенная металлическая трубка 11, внутри трубки пропущен кабель 5 и обжат механически на другом ее конце, место выхода кабеля из трубки 11 герметизировано клеевой термоусадочной трубкой 12, а сама крышка 7 выполнена металлической и имеет не менее одного цилиндрического выступа с резьбой 18 для крепления приемного антенного модуля к экрану 13 с помощью контргайки 19.
В настоящее время микросборка приемника поз.17, микросхема МШУ поз.15 могут быть выполнены достаточно миниатюрными за счет применения нанотехнологий. Поэтому габариты приемного антенного модуля в основном определяются размером подложки, выполненной из диэлектрического материала.
Малые габариты антенного элемента, следовательно, и всего приемного антенного модуля могут быть достигнуты за счет применения керамики или керамокомпозита с высоким (более 10) значением относительной диэлектрической проницаемости. Снизить значение относительной диэлектрической проницаемости без увеличения габаритов антенного элемента позволяет применение метаматериала [С.Caloz and Т.Itoh, Electromagnetic Metamaterials, Transmission Line Theory and Microwave Applications, Piscataway, John Wiley/IEEE Press, 2005].
За счет выполнения печатного проводника 1 антенного элемента из метаматериала (метаматериалоподобным) подложка 2 может быть изготовлена из диэлектрического материала с малым значением относительной диэлектрической проницаемости (от 3,0 до 6,0) методом литья. Это повышает технологичность изготовления приемного антенного модуля и снижает его себестоимость.
Кроме того, для обеспечения достаточно большого рабочего диапазона частот (обычно не менее 3%) толщина дна стакана подложки при εr=4,8 (полиамид-610) должна быть не менее 0,4λ [см], что для дециметрового диапазона частот заведомо больше толщины защитного колпака активной антенны в обычном корпусном исполнении, не превышающей 2 мм. За счет утолщения дна стакана подложки 2 прочность ее возрастает по сравнению с обычным корпусом традиционной активной антенны.
На фиг.4 приведен вариант круглой топологии печатного проводника 1 антенного элемента с метаматериалом (метаматериалоподобной топологией), реализующий прием поля линейной поляризации. Конфигурация внешней формы печатного проводника может быть произвольной, например прямоугольной, квадратной, многоугольной, эллипсоидной и т.п.
Печатный проводник 1 антенного элемента представляет структуру метаматериала, расположенную на внешней стороне дна стакана подложки 2.
Печатный проводник 1 выполнен в форме диска с секторными элементами 20 в количестве не менее двух, разделенными радиальными щелями 21. В каждом секторном элементе имеются дугообразные щели 22 в количестве не менее шести. В центре диска имеется сквозной проводящий стержень 23 симметричной формы, имеющий электрический контакт с секторными элементами 20 и металлизацией 3 нижней поверхности стакана подложки 2. В результате антенный элемент образует планарную секторно-щелевую замедляющую систему.
С другой стороны, антенный элемент образован емкостями С радиальных щелей 21 и индуктивностями L секторных элементов 20 печатного проводника, замкнутыми на земляную поверхность 3 антенного элемента. Таким образом, предложенная структура печатного проводника 1 может быть представлена в виде эквивалентной CL-цепочки, характерной для метаматериалоподобных структур.
Точка питания антенного элемента (точка подключения перемычки 9 к печатному проводнику 1) находится по центру одного из секторных элементов на определенном расстоянии от центра диска и контактирует с металлизированной частью сектора. Для согласования антенного элемента с входом платы приемника 4 точку подключения перемычки 9 к печатному проводнику 1 необходимо совместить с точкой на печатном проводнике 1, в которой входное сопротивление антенного элемента равно 50 Ом на центральной частоте рабочего диапазона. Вне центральной частоты рабочего диапазона частот входное сопротивление становится комплексным, а диапазон согласования по заданному значению КСВн тем шире, чем толще диэлектрическая подложка 2 антенного элемента. Поле (компонента Е) поляризовано в плоскости, проходящей через точку питания печатного проводника 1 и его центр.
На фиг.5 приведен вариант круглой топологии печатного проводника антенного элемента с метаматериалом, реализующий прием поля круговой поляризации.
Отличие топологии от предыдущей состоит в том, что конфигурация внешней формы печатного проводника должна быть осесимметричной, а количество секторных элементов кратно четырем, причем один из секторов, смежный с сектором с точкой питания (точкой подключения перемычки 9), наполовину металлизирован со стороны точки питания (поз.24). Частичная металлизация смежного сектора обеспечивает возбуждение колебаний с одинаковой амплитудой и сдвигом фаз ±90°. В этом случае волны двух ортогональных линейных поляризаций формируют в свободном пространстве волну с круговой (левой или правой) поляризацией. Правая поляризация поля излучения имеет место, если металлизация сектора находится слева от сектора с точкой питания (вид сверху), а левая поляризация поля излучения имеет место, если металлизация сектора находится справа от сектора с точкой питания.
Применение антенного элемента с метаматериалоподобным печатным проводником в виде секторно-щелевой замедляющей системы позволяет использовать подложку с меньшим значением диэлектрической проницаемости, чем в традиционной микрополосковой антенне, что, в свою очередь, позволяет уменьшить габариты антенны, увеличить эффективность излучения и снизить себестоимость изделия.
Приемный антенный модуль работает следующим образом.
При падении электромагнитной волны на антенный элемент, который образован 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.
В антенном элементе возможно возбуждение множества типов колебаний (мод), но только самая низшая из них формирует осевую ДН, высшие типы колебаний дают тороидальные ДН с провалом в осевом направлении. Низшими (основными) типами колебаний для простейших видов печатных проводников 1 являются: мода ТМ10 для прямоугольного, мода ТМ11 для круглого и кольцевого печатного проводника 1.
За счет приподнимания антенного элемента над экраном 13 происходит расширение его диаграммы направленности для основного типа колебания. Достигается это путем выполнения диэлектрической подложки 2 с металлизированной нижней поверхностью 3 в виде перевернутого стакана, при этом печатный проводник 1 расположен на внешней стороне дна стакана подложки 2.
Наличие диэлектрического слоя на внешней поверхности стакана подложки 2 позволяет еще более расширить диаграмму направленности.
Высокочастотный ток, возникающий в печатном проводнике 1, через перемычку 9 поступает на вход платы приемника 4, которая расположена внутри замкнутого объема, образованного металлизированной внутренней полостью 3 диэлектрической подложки 2 и металлизированной (металлической, в других вариантах) поверхностью крышки 7, и изолирован от прямого воздействия падающей электромагнитной волны. В малошумящем усилителе поз.15 сигнал усиливается, фильтруется с помощью встроенного фильтра поз.16 и поступает на вход микросборки приемника поз.17, в котором происходит аналоговая обработка сигнала и его оцифровка, затем через кабель 5 с USB-соединителем 6 сигнал поступает на вход внешнего цифрового приемного устройства, в котором происходит цифровая обработка сигнала и выделение конечного результата с возможной его визуализацией или передачей в другие устройства.
Стоящая на входе малошумящего усилителя поз.15 ограничительная диодная сборка поз.14 служит для защиты платы приемника 4 от выхода из строя при наличии постороннего сигнала большой мощности (помехи).
При наличии встроенного МШУ поз.15 и фильтра поз.16 в микросборке приемника поз.17 последняя может быть подключена к выходу антенного элемента непосредственно (к концу перемычки 9).
Обмен с внешним устройством приемного модуля может также осуществляться не по кабелю 5, а по радиочастотному каналу типа Bluetooth. При этом кабель 5 с USB-соединителем 6 в конструкции модуля отсутствует, а выход ПАМ должен быть снабжен микросхемой приемо-передатчика (на фиг.2 не показана), а внешнее приемное цифровое устройство — аналогичной микросхемой.
Исходя из вышеописанных принципов был спроектирован и изготовлен навигационный приемный антенный модуль ГЛОНАСС/GPS (фиг.6). В качестве топологии печатного проводника была взята топология, изображенная на фиг.5. Размеры печатного проводника 1 и конфигурация топологии были выбраны таким образом, чтобы обеспечить работу антенного элемента в режиме низшей моды — квази-Е11. Подложка 2 была отлита с полиамида-610 (εr=4,8). Ее размеры (как и размеры всего модуля) составили 47,5 мм × 44 мм × 13 мм. Отметим, что точно такие же размеры ПАМ достигаются для простой (не из метаматериала) формы печатного проводника 1 (прямоугольной, круглой, треугольной, эллиптической) при изготовлении подложки 2 из корундовой керамики с εr=9,5.
Расчетные характеристики антенного модуля приведены на фиг.7-10.
Из приведенных данных видно, что антенный модуль (антенный элемент) имеет широкие амплитудную и поляризационную ДН, что крайне важно для навигационной антенны. Более того, поляризация поля в дальней зоне остается близкой к круговой практически во всей полусфере, что не реализуемо для элементарных печатных проводников 1 (квадратного, треугольного, многоугольного, круглого, кольцевого). Азимутальная зависимость поля в дальней зоне для угла θ=75 градусов имеет неоднородность 3,5 дБ.
Плата приемника 4 ГЛОНАСС/GPS навигационного USB-приемного антенного модуля реализована в варианте с ограничительной диодной сборкой поз.14, входным МШУ поз.15 и фильтром поз.16 (фиг.11). В качестве приемной ГЛОНАСС/GPS микросборки был использован чипсет ML8088.
Таким образом, предлагаемый приемный антенный модуль позволяет повысить помехозащищенность и уменьшить габариты, повысить технологичность изготовления и снизить себестоимость приемного антенного модуля.
edrid.ru
Изобретение относится к области гидроакустики и может быть применено при разработке антенн гидроакустических систем и комплексов.
Антенный модуль является базовой единицей построения сложных антенных решеток, позволяющий улучшить технологичность сборки, повысить точность и плотность размещения гидроакустических датчиков. Примерами таких модулей могут служить устройства, описанные в изобретениях по патентам РФ №2167499 «Линейный модуль гидроакустической антенны», №2269875 «Многоэлементный линейный модуль гидроакустической приемной антенны». Также линейные антенные модули описываются в составе антенны — патент РФ №27768 на полезную модель «Многоэлементная гидроакустическая антенна» и патент РФ №2078484 на изобретение «Многоэлементная гидроакустическая антенна». Конструктивно, в антенном модуле объединяются гибкий каркас, выполненный либо из шарнирно соединенных частей, либо в виде полимерного шланга заданного сечения, а также гидроакустические датчики и акустические экраны, связанные с ними. При этом модуль представляет из себя законченную автономную конструктивную единицу, способную осуществлять прием гидроакустических сигналов.
При разработке антенных модулей всегда остаются актуальными вопросы повышения чувствительности гидроакустических приемников. Это вызвано возрастающими требованиями как с точки зрения требований к дальности обнаружения источников локального шума гидроакустическими средствами, так и с точки зрения обнаружения слабых локальных сигналов, имеющих низкое отношение сигнал/помеха, либо затененных сильными локальными источниками. Также необходимо отметить, что многоэлементные антенны, обладающие повышенной чувствительностью, используются в составе гидроакустических систем, оборудованных мощными вычислительными средствами и алгоритмами обработки первичной информации. Это, в свою очередь, накладывает определенные требования на характер данных, получаемых от антенных модулей, в частности, минимальное искажение исходной информации при использовании аппаратных преобразований сигнала. Кроме того, при наличии требований минимизации переизлучения гидроакустических волн, падающих на поверхность носителя антенны, данный вопрос должен учитываться при конструировании модулей, т.к. площадь, занимаемая ими на поверхности носителя для чувствительных антенн высокого разрешения может достигать значительных величин. Примером подобных антенн может служить антенна, описанная в патенте РФ №2259643 «Гидроакустическая многоэлементная антенна выпуклой формы».
Решение, предлагаемое в данном изобретении, является наиболее близким к линейному антенному модулю, описанному в полезной модели по патенту РФ №27768 «Многоэлементная гидроакустическая антенна», который можно отнести к ближайшему аналогу (прототипу) предлагаемого изобретения. В данном патенте описывается гидроакустическая антенна, сформированная из отдельных антенных модулей, состоящих из акустических экранов и гидроакустических приемников, сигналы с которых передаются по единому кабелю.
Однако данное решение не лишено некоторых недостатков. К таковым можно отнести площадь чувствительной поверхности гидроакустических приемников, меньшую, чем площадь акустических экранов, т.е. площадь поверхности антенного модуля. Вследствие этого, при использовании отражающих экранов от их поверхности, не закрытой гидроакустическими приемниками, будет происходить переизлучение падающей акустической волны. Таким образом, при наличии требований минимизации отражаемой носителем энергии, гидроакустическская антенна будет играть демаскирующую роль. Также необходимо отметить, что выход элементарного канала линейного антенного модуля, как правило, формируется на основе сигналов от нескольких конструктивно завершенных гидроакустических преобразователей (чувствительных элементов), собранных в единую конструкцию по последовательно-параллельной схеме (Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. — Л.: Судостроение, 1980, с.112-113). С другой стороны, при использовании современных вычислительных комплексов, обрабатывающих данные с датчиков антенны, целесообразно конкретизировать способ объединения сигналов гидроакустических преобразователей с тем, чтобы минимизировать потери первичной информации и получить ее от датчиков в максимально возможном объеме.
Задачей изобретения является снижение энергии переотражаемой гидроакустической волны, падающей на антенну, сформированную с использованием представленного в заявке линейного антенного модуля, а также максимизация объема информации, получаемой от гидроакустических приемников, т.е. повышение их чувствительности с целью реализации алгоритмов обработки сигнала, построенных на более сложных моделях гидроакустических преобразователей, нежели операция усреднения сигналов нескольких гидроакустических преобразователей, объединенных параллельным соединением в одну группу, образующую элементарный приемный канал.
Для решения поставленной задачи в линейный антенный модуль, состоящий из акустических экранов, линий электрических коммуникаций и гидроакустических приемников, состоящих из нескольких цилиндрических пьезокерамических преобразователей, оси симметрии которых параллельны плоскости акустического экрана, введены следующие новые признаки:
1) цилиндрические пьезокерамические преобразователи расположены на поверхности экрана параллельно друг другу с минимальными зазорами как по торцам, так и по образующей цилиндра таким образом, что по нормали к поверхности гидроакустических экранов полностью их перекрывают;
2) все цилиндрические пьезокерамические преобразователи одного гидроакустического приемника включены электрически последовательно.
Техническими результатами изобретения являются:
— снижение мощности отраженной антенной гидроакустической волны;
— повышение чувствительности гидроакустических датчиков, что позволяет использовать больший объем первичной информации, содержащейся в сигнале для последующей обработки в вычислительном комплексе гидроакустической системы, оборудованной антенной, построенной на заявляемых линейных гидроакустических модулях.
Вышеуказанные технические результаты достигаются за счет:
1) большего поглощения падающей гидроакустической волны в системе «преобразователь-экран» по сравнению с собственно акустическим экраном;
2) при последовательном включении гидроакустических датчиков достигается максимально возможная чувствительность исключением усреднения сигналов при параллельном соединении гидроакустических преобразователей в гидроакустическом приемнике, а дальнейшая обработка информации происходит на более сложных моделях преобразователей в вычислительном комплексе, например, обобщенным методом наименьших квадратов с учетом погрешностей каждого преобразователя.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется на фигуре 1. В антенном модуле, содержащем акустические экраны (2), установлены цилиндрические пьезокерамические преобразователи (1), перекрывающие всю площадь акустических экранов по нормали к ним. При этом несколько цилиндрических пьезокерамических преобразователей (2) соединены последовательно и образуют один гидроакустический приемник (3).
Устройство работает следующим образом. Фронт гидроакустической волны, падающий на поверхность линейного модуля, всей своей поверхностью взаимодействует с цилиндрическими пьезокерамиче-скими преобразователями (1). В свою очередь сигналы, распространяющиеся со стороны корпуса носителя, на котором установлен линейный модуль, отражаются либо поглощаются гидроакустическими экранами (2). При этом цилиндрические пьезокерамические преобразователи (1) соединены строго последовательно, что позволяет добиться максимальной чувствительности [Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. — Л.: Судостроение, 1980. — 232 с., ил., с.23-27], т.к. при последовательном электрическом соединении чувствительность гидроакустического приемника γ∑ составляет:
γ∑=Nγпр,
где N — количество цилиндрических пьезокерамических преобразователей, γпр — чувствительность цилиндрического пьезокерамического преобразователя.
Предложенная конструкция линейного приемного модуля позволяет добиться:
1) меньшей мощности переотражаемой гидроакустической волны, падающей на антенну, а следовательно, меньшей мощности переотражаемого носителем сигнала;
2) улучшения характеристик обнаружения и оценки параметров гидроакустических сигналов, принимаемых антенной, составленной из заявляемых линейных модулей.
Таким образом, задачу изобретения можно считать решенной.
edrid.ru