RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 201537 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 347854 (22) Data zgłoszenia: 31.05.2001 (51) Int.Cl. H01Q 1/00 (2006.01) H01Q 5/00 (2006.01) H01Q 23/00 (2006.01) (54) Antena wielopasmowa (43) Zgłoszenie ogłoszono: 02.12.2002 BUP 25/02 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.04.2009 WUP 04/09 (76) Uprawniony i twórca wynalazku: Polak Waldemar,Ruda Śląska,PL Polak Adam,Ruda Śląska,PL PL 201537 B1 (57) 1. Antena wielopasmowa złożona z promienników połączonych z sobą szeregowo poprzez skupione elementy bierne w postaci cewek indukcyjnych i/lub kondensatorów, znamienna tym, że pierwszy promiennik X1 licząc od miejsca zasilania anteny energią wielkiej częstotliwości i ewentualnie dalsze promienniki X2 są dwu lub więcej przewodowe i stanowią tor zdalnego sterowania natomiast do elementów biernych są podłączone człony wykonawcze S1, S2, S3, S4 regulatorów reaktancji tych elementów, przy czym same regulatory P1, P2, P3, P4 są połączone galwanicznie z przewodami promienników X1, X2.
2 PL 201 537 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest antena wielopasmowa, która ma rezonans w dwóch lub więcej pasmach częstotliwości fal radiowych i dzięki temu umożliwia w tych pasmach efektywny odbiór i nadawanie sygnałów radiowych. Stosowanie odrębnych anten np. dipolowych na poszczególne pasma jest niedogodne choćby ze względu na uwarunkowania przestrzenne zwłaszcza w miastach, zaś stosowanie jednej anteny i układów dopasowujących ją dla częstotliwości nierezonansowych jest mało skuteczne a w przypadku nadawania zawsze powoduje zwiększenie poziomu zakłóceń odbioru telewizyjnego i radiowego. Wymóg wielopasmowości anteny dotyczy zwłaszcza fal krótkich, gdzie na przykład radioamatorzy krótkofalowcy mają do dyspozycji stosunkowo wąskie lecz odległe od siebie pasma częstotliwości: 3, 5, 7, 10, 14, 18, 21, 24 i 28 MHz. Istotne jest również z uwagi na oddziaływanie wiatru i zwłaszcza w warunkach miejskich, żeby antena miała nieduże gabaryty. Znane są dwa zasadnicze rozwiązań technicznych anten wielopasmowych. W najprostszym przypadku do linii zasilającej antenę energią wielkiej częstotliwości podłącza się równolegle kilka dipoli lub unipoli. Wadą takiego rozwiązania jest m.in. ograniczona ilość pasm, gdyż istnieje silne wzajemne sprzężenie pomiędzy dipolami (unipolami) co utrudnia optymalne zestrojenie anteny. Najbardziej obecnie znane i rozpowszechnione rozwiązanie anteny wielopasmowej polega na włączeniu w strukturę anteny skupionych elementów biernych. Antena taka składa się z promienników energii w.cz. w postaci prętów lub odcinków drutu połączonych z sobą szeregowo poprzez skupione elementy bierne tj. cewki indukcyjne i/lub kondensatory co w przypadku zastosowania elementów biernych skonfigurowanych jako równoległe obwody rezonansowe (tzw. pułapki) umożliwia uzyskanie rezonansu anteny w wielu pasmach poprzez odłączanie elektryczne kolejnych fragmentów promienników dla których odpowiedni równoległy obwód rezonansowy stanowi dużą impedancję. Według powyższej zasady funkcjonuje np. siedmiopasmowa antena typu R7 firmy Cushcraft przeznaczona dla radioamatorów krótkofalowców, która zawiera sześć pułapek rezonansowych. Wadą tego typu rozwiązań jest stosunkowo duży koszt oraz osłabienie konstrukcji mechanicznej anteny wskutek jej wielokrotnego przedzielenia. Ponadto kolejne pułapki stanowią dla sygnałów o częstotliwościach niższych od ich częstotliwości rezonansowych rezystancję indukcyjną co zmniejsza efektywny prąd płynący w antenie a więc jej skuteczność. W rozwiązaniu anteny wielopasmowej wg polskiego opisu patentowego nr 161903 obwody rezonansowe rozdzielające promienniki wyposażone są dodatkowo w rezystory co poprawia szerokopasmowość lecz z drugiej strony zmniejsza efektywność anteny z powodu zmniejszenia ostrości rezonansów oraz występowania strat mocy na rezystorach. Celem wynalazku jest opracowanie anteny mającej rezonans w wielu pasmach częstotliwości, odznaczającej się przy niedużych wymiarach dobrą skutecznością i pozbawioną opisanych wad dotychczasowych konstrukcji. Antena wielopasmowa według wynalazku składa się z promienników połączonych z sobą szeregowo poprzez skupione elementy bierne, przy czym pierwszy licząc od miejsca zasilania anteny energią wielkiej częstotliwości i ewentualnie dalsze promienniki są dwu lub więcej przewodowe i stanowią tor zdalnego sterowania natomiast do elementów biernych są podłączone człony wykonawcze regulatorów reaktancji tych elementów a same regulatory są połączone galwanicznie z przewodami promienników. Przy użyciu regulatorów, które można zdalnie sterować poprzez promienniki możliwa jest zdalna regulacja reaktancji elementów biernych co w efekcie umożliwia uzyskanie rezonansów anteny dla pożądanych częstotliwości. Korzystnym jest gdy regulatorami impedancji są przekaźniki z których zestykami połączone są elementy bierne w postaci połączonych szeregowo dwu lub więcej cewek indukcyjnych podłączonych do jednego z przewodów promiennika przy czym przekaźnik, którego zestyki połączone są równolegle z daną cewką jest podłączony bezpośrednio do przewodów promiennika lub też jednym końcem do miejsca połączenia tej cewki z cewką poprzednią a drugim końcem poprzez dławik wielkiej częstotliwości do drugiego przewodu promiennika. W korzystnym rozwiązaniu pierwszy licząc od miejsca zasilania anteny dwuprzewodowy promiennik połączony jest galwanicznie z początkiem drugiego dwuprzewodowego promiennika jednym przewodem poprzez szeregowo połączoną pierwszą i drugą cewkę indukcyjną zaś drugim przewodem poprzez zestyki przekaźników sterujących a ponadto zestyki te zwierają poprzez kondensatory te cewki dla prądów w.cz. natomiast pierwszy przekaźnik podłączony jest do pierwszego promiennika poprzez szeregowo-przeciwsobnie połączone diody Zenera i diodę zaś drugi przekaźnik połączony
PL 201 537 B1 3 jest do jednego z przewodów pierwszego promiennika poprzez pierwszą cewkę indukcyjną zaś do drugiego przewodu poprzez dławik i diody Zenera. Z kolei koniec drugiego dwuprzewodowego promiennika podłączony jest do trzeciego przekaźnika oraz jednym przewodem poprzez szeregowo połączone trzecią i czwartą cewkę indukcyjną do następnego promiennika. Czwarty przekaźnik sterujący podłączony jest z jednej strony do końca trzeciej cewki zaś z drugiej strony poprzez diodę i dławik do końca drugiego przewodu drugiego promiennika przy czym zestyki trzeciego i czwartego przekaźnika sterującego są podłączone odpowiednio równolegle do trzeciej i czwartej cewki indukcyjnej. Taka konfiguracja umożliwia uzyskanie wielu kombinacji ustawienia reaktancji elementów biernych a więc również wielu częstotliwości rezonansowych anteny przy użyciu dwuprzewodowych promienników, niewielkiej ilości przekaźników oraz prostej kombinacji stałych napięć sterujących te przekaźniki. Ponadto możliwe jest uzyskanie większej efektywności anteny zwłaszcza na niższych częstotliwościach jej rezonansu. Korzystnym jest, że przewody pierwszego promiennika przyłączone są galwanicznie do przewodów linii zasilającej antenę energią w.cz. przy czym co najmniej jeden dławik w.cz. oddziela jeden z przewodów linii od jednego z przewodów promiennika co umożliwia wykorzystanie linii zasilającej jako toru zdalnego sterowania regulatorów reaktancji na przykład przekaźników. Korzystnym jest ponadto, że uzwojenia cewek indukcyjnych przyłączonych do końców dwuprzewodowych promienników są bifilarne i przyłączone do obu przewodów tych promienników a przekaźnik sterujący zestykami podłączonymi do danej cewki jest przyłączony do obu końców bifilarnego uzwojenia cewki poprzedniej bez stosowania odrębnego dławika w.cz. Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku ilustrującym schemat elektryczny anteny wielopasmowej. W skład anteny wchodzą trzy promienniki X1, X2, X3 przedzielone zgrupowanymi elementami biernymi L1, L2, C1, C2 oraz L3, L4, C3, które są przełączane stykami S1, S2, S3, S4 przekaźników sterujących P1, P2, P3, P4. Dwa pierwsze promienniki są dwuprzewodowe i stanowią tory zdalnego sterowania przekaźników. Przewody pierwszego promiennika X1 są przyłączone do linii Y zasilającej antenę w tym jeden z przewodów połączony jest poprzez dławik DT wielkiej częstotliwości. Pierwszy przekaźnik sterujący P1 przyłączony jest do przewodów promiennika X1 poprzez szeregowo-przeciwsobnie połączone diody Zenera DZ1 DZ2 i diodę D1, zaś drugi przekaźnik P2 jest podłączony do tej linii jednym końcem poprzez cewkę indukcyjną L1 a drugim poprzez dławik DL1 i diody Zenera DZ1 DZ2. Dławiki DL1 oraz DL2 stanowią część bifilarnego uzwojenia cewek L1 i L3. Przekaźnik P3 jest podłączony do końca dwuprzewodowego promiennika X2 zaś przekaźnik P4 do tego promiennika jednym przewodem poprzez cewkę L3 a drugim przewodem poprzez diodę D2 i dławik DL2. Zestyk S3 przekaźnika P3 jest przełączny i w jednym położeniu zwiera cewkę L3 zaś w drugim położeniu dołącza do końca promiennika X2 dodatkowy promiennik EL. Kondensatory C1, C2, C3 służą do uzyskiwania odpowiednich własności rezonansowych anteny zaś kondensatory CB umożliwiają zwieranie cewek L1 i L2 poprzez zestyki S1 i S2 dla sygnałów wielkiej częstotliwości. Do wejścia linii Y zasilającej antenę podłączone jest poprzez kondensator C urządzenie nadawczo-odbiorcze TRX zaś poprzez dławik DL sygnały sterujące napięcia stałego o wartościach +U, -U, +2U, -2U przy czym U jest napięciem załączania przekaźników sterujących. Jak zostanie poniżej objaśnione antena według wyżej opisanej przykładowej konstrukcji stanowi efektywną antenę wielopasmową dla ośmiu pasm krótkofalowych radioamatorskich: 3, 5, 7, 10, 14, 18, 21, 24 i 28 MHz w tym dodatkowo pasmo 3,5 MHz jest korzystnie rozdzielone na dwa podzakresy. Przykładowy promiennik X1 ma długość ok. 2,5 m zaś promiennik X2 ok. 1 m. Własności rezonansowe anteny są zależne od podanych na linię Y napięć sterujących Us, które umożliwiają uzyskanie pięciu kombinacji: 1. Us = 0: Elementy bierne L1, L2, C1, C2 są zwarte zestykami S1, S2 poprzez kondensatory CB. Antena jest w rezonansie na dwóch pasmach: 18 MHz - promienniki X1 i X2 razem z dodatkowym krótkim promiennikiem EL załączonym zestykiem S3 7 MHz - promienniki jw. plus przedłużony cewkami indukcyjnymi L3, L4 promiennik X3. 2. Us = +U; Przekaźniki P1 i P2 nie są wysterowane z powodu odcięcia napięcia +U przez diody Zenera DZ1 DZ2, natomiast załączony jest przekaźnik P3, który swoim zestykiem S3 zwiera cewkę L3. Antena jest w rezonansie na dwóch pasmach: 21 MHz - promienniki X1 i X2 (bez promiennika dodatkowego) 10 MHz - promienniki jw. plus przedłużony cewką indukcyjną L4 promiennik X3.
4 PL 201 537 B1 3. Us = -U; Przekaźniki P1, P2 dalej nie są wysterowane natomiast wysterowane są przekaźniki P3, P4 więc promiennik X3 połączony jest szeregowo z promiennikami X1, X2 poprzez kondensator C3. Antena ma rezonans w paśmie 14 MHz. 4. Us = +2U; Napięcie +2U przedostaje się przez diody Zenera i zostaje wysterowany przekaźnik P2 co powoduje rozwarcie zestyku S2. Antena ma rezonans w dwóch pasmach: 24 MHz - promienniki X1, X2 oraz dodatkowy EL przedzielone kondensatorem C2 3,5 MHz (część górna pasma) - promienniki jw. przedłużone cewką indukcyjną L2 oraz promiennik X3 przedłużony cewkami L3, L4. 5. Us = -2U; Napięcie -2U przechodzi przez diody Zenera i wysterowuje przekaźniki P1, P2 co powoduje rozwarcie styków S1, S2. Antena ma rezonans w dwóch pasmach: 28 MHz - promiennik X1 zostaje odcięty od pozostałych promienników równoległym obwodem rezonansowym L1, C1. 3,5 MHz (część dolna pasma) - promienniki i cewki wydłużające jak w p. 4 plus cewka wydłużająca L1. Powyżej opisana antena pokrywa wystarczającą ilość pasm częstotliwości radiowych a przy tym ma nieduże gabaryty zwłaszcza, gdy promiennik końcowy X3 wykonany jest jako element o dużej pojemności własnej. Skupione elementy bierne zlokalizowane są jedynie w dwóch miejscach co pozwala na uproszczenie i umocnienie konstrukcji mechanicznej anteny. W porównaniu do znanych anten wielopasmowych o podobnych wymiarach lecz bazujących na wykorzystaniu trapów rezonansowych posiada ona większą skuteczność zwłaszcza na niższych częstotliwościach (7 i 10 MHz), gdyż prąd w antenie nie jest ograniczany reaktancją indukcyjną trapów. W pasmach 28, 24, 21, 18, 14 MHz jest ona pełnowymiarowym, nie skróconym reaktancjami trapów unipolem (lub dipolem). Ponadto charakterystyki pasmowe anteny wg wynalazku są bardziej płaskie co zmniejsza jej wrażliwość na rozstrojenie parametrów. W paśmie 3,5 MHz antena wykazuje niespotykaną w znanych skróconych antenach wielopasmowych a pożyteczną właściwość a mianowicie rezonans w dwóch wybranych miejscach pasma bez potrzeby korekcji wymiarów geometrycznych. Zestawienie pozycji X1, X2, X3 - promienniki L1, L2, L3, L4 - cewki indukcyjne C1, C2, C3 - kondensatory obwodów rezonansowych CB, C - kondensatory zwierające dla sygnałów w.cz. P1, P2, P3, P4 - przekaźniki sterujące S1, S2, S3, S4 - zestyki przekaźników sterujących EL - promiennik dodatkowy D1, D2 - diody DZ1, DZ2 - diody Zenera DL1, DL2, DT, DL - dławiki wielkiej częstotliwości Y - linia zasilająca antenę energią w.cz. TRX - radiowe urządzenie nadawczo-odbiorcze Zastrzeżenia patentowe 1. Antena wielopasmowa złożona z promienników połączonych z sobą szeregowo poprzez skupione elementy bierne w postaci cewek indukcyjnych i/lub kondensatorów, znamienna tym, że pierwszy promiennik X1 licząc od miejsca zasilania anteny energią wielkiej częstotliwości i ewentualnie dalsze promienniki X2 są dwu lub więcej przewodowe i stanowią tor zdalnego sterowania natomiast do elementów biernych są podłączone człony wykonawcze S1, S2, S3, S4 regulatorów reaktancji tych elementów, przy czym same regulatory P1, P2, P3, P4 są połączone galwanicznie z przewodami promienników X1, X2. 2. Antena według zastrz. 1, znamienna tym, że regulatorami P1, P2, P3, P4 reaktancji są przekaźniki z których zestykami S1, S2, S3, S4 połączone są skupione elementy bierne w postaci połączonych szeregowo dwóch lub więcej cewek indukcyjnych L1, L2, L3, L4 podłączonych do jednego
PL 201 537 B1 5 z przewodów promienników X1, X2 przy czym przekaźnik, którego zestyki są połączone równolegle z daną cewką indukcyjną jest podłączony bezpośrednio do przewodów promiennika X1, X2 lub też jednym końcem do miejsca połączenia tej cewki z cewką poprzednią a drugim końcem poprzez dławik wielkiej częstotliwości DL1, DL2 do drugiego przewodu promiennika X1, X2. 3. Antena według zastrz. 2, znamienna tym, że pierwszy licząc od miejsca zasilania anteny dwuprzewodowy promiennik X1 połączony jest galwanicznie z początkiem drugiego dwuprzewodowego promiennika X2 jednym przewodem poprzez szeregowo połączone cewki indukcyjne L1, L2 zaś drugim przewodem poprzez styki S1, S2 przekaźników sterujących P1, P2 a ponadto zestyki S1, S2 poprzez kondensatory CB1, CB2, CB3 zwierają cewki indukcyjne L1, L2 dla prądów wielkiej częstotliwości natomiast przekaźnik P1 podłączony jest do promiennika X1 poprzez szeregowoprzeciwsobnie połączone diody Zenera DZ1, DZ2 i diodę D1 zaś przekaźnik P2 połączony jest do jednego z przewodów promiennika X1 poprzez cewkę indukcyjną L1 zaś do drugiego przewodu poprzez dławik DL1 i diody Zenera DZ1, DZ2 z kolei koniec dwuprzewodowego promiennika X2 podłączony jest do przekaźnika sterującego P3 oraz jednym przewodem poprzez szeregowo połączone cewki indukcyjne L3, L4 do następnego promiennika X3 natomiast przekaźnik P4 podłączony jest z jednej strony do końca cewki indukcyjnej L3 zaś z drugiej strony poprzez diodę D2 i dławik DL2 do końca drugiego przewodu promiennika X2 przy czym zestyki S3, S4 przekaźników sterujących P3, P4 przyłączone są równolegle do cewek indukcyjnych L3, L4. 4. Antena według zastrz. 1, znamienna tym, że przewody pierwszego promiennika X1 przyłączone są galwanicznie do przewodów linii Y zasilającej antenę energią wielkiej częstotliwości przy czym co najmniej jeden dławik DT wielkiej częstotliwości oddziela jeden z przewodów linii Y od jednego z przewodów promiennika X1. 5. Antena według zastrz. 2, znamienna tym, że uzwojenia cewek indukcyjnych L1, L3 przyłączonych do końców promienników X1, X2 są bifilarne i przyłączone do obu przewodów promienników X1, X2 a przekaźnik sterujący zestykami podłączonymi do danej cewki podłączony jest do obu końców bifilarnego uzwojenia cewki poprzedniej.
6 PL 201 537 B1 Rysunek Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,00 zł.