Приемопередающая петлевая антенна

 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве приемо-передающей антенны подвижных средств связи декаметрового и метрового диапазонов. Задачей изобретения является расширение диапазона перестройки рабочих частот при одновременном повышении ее эффективности. Антенна содержит две разомкнутые проводящие петли и два настроечных конденсатора переменной емкости. Первые концы петель соединены и образуют первый вывод антенны, а их вторые концы соединены с первыми выводами настроечных конденсаторов, вторые выводы которых объединены и образуют второй вывод антенны. Указанные петли относительно их соединенных концов могут быть ориентированы пространственно одинаково или противоположно, что обеспечивает максимальную перестройку частоты соответственно вверх или вниз. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. 2 табл.

Изобретение относится к антенной технике, а именно к малогабаритным петлевым антеннам, и может быть использовано в качестве приемо-передающей антенны подвижных средств связи декаметрового и метрового диапазонов длин волн, которая должна сочетать малые массу и габариты и большой диапазон перестройки рабочих частот.

Известна малогабаритная петлевая антенна [1] содержащая проводящую петлю и удлиняющие катушки индуктивности, последовательно включенные в разрывы петлевого проводника. Однако потери в катушках индуктивности обусловливают прогрессирующее снижение КПД антенны по мере уменьшения периметра петли. Поэтому реально достижимое (с сохранением приемлемого КПД) уменьшение периметра петли антенны за счет использования удлиняющих катушек индуктивности составляет не более 1,3 1,4 раза.

Известна малогабаритная петлевая антенна [2] содержащая проводящую петлю и два настроечных конденсатора, включенных в разрыве петлевого проводника симметрично относительно вывода антенны. В сопоставлении с удлиняющими катушками индуктивности конденсаторы имеют существенно меньшие потери, чем и обеспечивается более высокий КПД антенны по сравнению с антенной, описанной в [1] Тем не менее при использовании настроечных конденсаторов можно уменьшить периметр петли не более, чем в 1,9 2,1 раза, полагая еще приемлемым значение коэффициента стоячей волны, равное 2. В данном случае путем соответствующего подбора величины емкости конденсаторов удается скомпенсировать реактивную составляющую входного сопротивления антенны, но не удается обеспечить требуемую активную составляющую ее входного сопротивления.

В качестве прототипа выбрана малогабаритная антенна [3] содержащая разомкнутую петлю и два настроечных конденсатора переменной емкости, первые выводы которых соединены и образуют один вывод антенны, второй вывод одного конденсатора соединен с первым концом петли, а второй вывод другого конденсатора со вторым концом петли и образует второй вывод антенны.

Один из недостатков антенны проявляется при ее применении в декаметровом диапазоне длины волн. В этом случае габаритные ограничения на антенну, используемую, например, в подвижных средствах связи, требуют, чтобы периметр петли был меньше 0,25 рабочей длины волны. Однако при указанных размерах периметра петли величина емкости настроечного конденсатора, соединенного со вторым концом петли, становится настолько большой, что технически реализовать такой конденсатор не представляется возможным без использования дополнительно подключенных конденсаторов постоянной емкости. При этом процесс настройки антенны существенно усложняется. Действительно величины емкостей конденсаторов, непосредственно соединенных соответственно с первым и вторым концом петли, определяются выражениями где ω=2πf рабочая частота; L_п индуктивность петли; R_н - входное сопротивление антенной нагрузки; R_s активная часть входного сопротивления петли, включающая в себя сопротивление излучения R_Σ, сопротивление потерь R_п в проводнике петли и сопротивление потерь в окружающей среде R_ос, R_s= R_Σ + R_п + R_ос Например, в декаметровом диапазоне петля с периметром 2,5 м, изготовленная из медной трубки диаметром 8 см, будет иметь следующие величины емкостей настроечных конденсаторов (см.табл.1).

Для более тонких трубок значения емкостей конденсаторов несколько уменьшается, однако при этом возрастают потери в проводнике петли R_п и уменьшается эффективность антенны. Из табл.1 следует, что при использовании стандартных вакуумных конденсаторов переменной емкости с пределами изменения емкости 10 1000 пФ интервал перестройки рабочих частот петлевой малогабаритной антенны декаметрового диапазона составляет одну октаву (15 30 МГц).

Другой недостаток прототипа обусловлен его очень низкой эффективностью. В декаметровом диапазоне активная часть входного сопротивления антенн составляет десятые доли и единицы ОМ и обусловлена в основном потерями в проводнике петли, поскольку сопротивление излучения петли составляет тысячные и сотые доли Ом, а окружающая антенну среда, как правило, не обладает магнитными потерями. Отношение R_Σ к R_s определяет КПД антенны, который для малой по сравнению с рабочей длиной волны антенны составляет доли и единицы процентов.

Изобретение направлено на создание приемо-передающей петлевой антенны с расширенным диапазоном перестройки рабочих частот при одновременном повышении КПД.

В соответствии с поставленной задачей приемо-передающая антенна, как прототип, содержит разомкнутую петлю и два настроечных конденсатора, первые выводы которых соединены и образуют один вывод антенны, а второй вывод одного из указанных конденсаторов соединен с первым концом петли. Антенна отличается от прототипа тем, что в нее дополнительно введена вторая разомкнутая петля, первый конец которой соединен со вторым выводом другого на указанных конденсаторов, вторые же концы обеих петель соединены и образуют другой вывод антенны.

Для максимального расширения диапазона перестройки рабочих частот вниз указанные петли ориентированы пространственно противоположно относительно их соединенных вторых концов.

Для наибольшего расширения интервала перестройки диапазона рабочих частот вверх указанные петли ориентированы в пространстве одинаково относительно их соединенных вторых концов.

На фиг. 1 показано конструктивно-схемное решение предлагаемой антенны в соответствии с изобретением в предпочтительном воплощении пространственно одинаково ориентированными петлями; на фиг.2 другое решение,с пространственно противоположной ориентацией петель.

Предлагаемая приемо-передающая антенна содержит первую разомкнутую проводящую петлю 1 (фиг.1 и 2), аналогичную вторую петлю 2, а также первый и второй настроечные конденсаторы 3 и 4. Первые концы 5 и 6 петель 1 и 2 соединены и образуют один вывод 7 антенны, вторые концы 8 и 9 петель 1 и 2 соединены с выводами 10 и 11 настроечных конденсаторов 3 и 4, другие выводы 12 и 13 которых соединены и образуют другой вывод 14 антенны. На фиг.1 показана одинаковая пространственная ориентация петель 1 и 2 относительно их соединенных первых концов 5 и 6, а на фиг.2 показана противоположная пространственная ориентация этих петель 1 и 2 относительно этих же соединенных концов 5 и 6.

Работу предлагаемой приемо-передающей петлевой антенны рассмотрим на примере передающего режима. Для эффективного излучения радиосигнала на рабочей частоте f_р осуществляют согласование входа антенны с выходом передатчика с помощью настроечных конденсаторов 3 и 4. При этом величина емкостей конденсаторов 3 и 4 устанавливаются такими, что резонансная частота одной из петель оказывается выше f_р, а резонансная частота другой петли ниже f_р. Это приводит к тому, что протекающие по петлям 1 и 2 антенны возмущающие токи оказываются сдвинутыми по фазе на величину, близкую к p/2. При таком характере распределения возбуждающих токов им всегда можно сопоставить эквивалентную в отношении создаваемого поля суперпозицию синфазного и противофазного токов на петлях 1 и 2 антенны. Синфазный ток определяет момент тока излучателя, а противофазный ток обеспечивает дополнительный запас энергии, повышая тем самым добротность излучателя и, следовательно, его эффективность.

Расчет характеристики предлагаемой антенны, величины емкостей настроенных конденсаторов 3 и 4 с помощью строгих электродинамических методов представляет серьезные математические трудности. Однако, учитывая малые по сравнению с рабочей длиной волны размеры петель 1 и 2, можно с достаточной для практических целей точностью составить эквивалентную схему предлагаемой антенны в виде параллельного контура, образованного двумя индуктивно связанными последовательными контурами, состоящими из индуктивностей петель 1 и 2 и емкостей конденсаторов 3 и 4. Величина индуктивности связи контуров и ее знак (положительная или отрицательная связь) определяется расстоянием между петлями и их взаимной пространственной ориентацией.

Если согласно формуле изобретения петли 1 и 2 антенны ориентированы одинаково относительно их соединенных вторых концов 5 и 6 (фиг.1), то индуктивная составляющая собственно входного сопротивления каждой петли 1 и 2 уменьшается на величину взаимоиндукции индуктивно связанных петель, и при заданных величинах емкостей настроечных конденсаторов 3 и 4 диапазон согласования антенны расширяется в сторону более высших частот.

При противоположной ориентации петель относительно их соединенных вторых концов 5 и 6 (фиг.2) индуктивная составляющая собственного входного сопротивления каждой петли увеличивается на величину взаимоиндукции индуктивно связанных петель 1 и 2 и при заданных величинах емкостей настроечных конденсаторов 3 и 4 диапазон согласования антенны расширяется в сторону более низких частот.

Можно показать, что, например, в случае круглых петель радиуса b изготовленных из проводника радиуса a и расположенных компланарно на расстоянии c, величины емкостей настроечных конденсаторов определяются выражением волновое число; R_н требуемое входное сопротивление антенны.

Из выражения (1) следует, что величины емкостей настроечных конденсаторов незначительно отличаются друг от друга и выбираются таким образом, что один из последовательных контуров, образованный индуктивностью петли и емкостью настроечного конденсатора, настроен несколько ниже рабочей частоты и имеет индуктивный характер входного сопротивления, а второй контур настроен несколько выше рабочей частоты и имеет емкостной характер входного сопротивления. В целом антенна согласуется с любым наперед заданным активным сопротивлением антенной нагрузки R_н.

В качестве примера в табл.2 приведены величины емкостей настроечных конденсаторов 3 и 4, обеспечивающих входное сопротивление, равное 75 Ом, для приемо-передающей антенны декаметрового диапазона, содержащей две круглые петли с периметром 2,5 м каждая, изготовленные из медной трубки диаметром 8 см и расположенные на расстоянии 40 см друг от друга. Первый вариант антенны соответствует одинаковой ориентации петель 1 и 2 относительно их соединенных концов 5 и 6 (фиг.1), а второй вариант антенны соответствует противоположной ориентации петель 1 и 2 относительно их соединенных концов 5 и 6 (фиг. 2).

Сравнение величины емкостей настроечных конденсаторов антенны-прототипа и предлагаемой антенны показывает, что при заданных пределах изменения величины емкостей настроечных конденсаторов 3 и 4 диапазон перестройки рабочих частот предлагаемой приемо-передающей петли антенны расширяется в 5 6 раз по сравнению с диапазоном перестройки рабочих частот антенны-прототипа.

Из табл.2 следует, что величины емкостей настроечных конденсаторов 3 и 4 незначительно отличаются друг от друга. Очевидно, что если периметры петель 1 и 2 не равны, то можно подобрать такое отношение их параметров, при котором согласование антенны осуществляется одинаковыми настроечными конденсаторами, перестраиваемыми синхронно, что существенно упрощает процесс настройки антенны.

Повышение эффективности предлагаемой приемо-передающей петлевой антенны по сравнению с эффективностью антенны-прототипа происходит вследствие снижения потерь в проводниках при параллельном соединении петель. Следовательно, при постоянной подводимой к антенне мощности возрастает момент тока в антенне и соответственно повышается ее КПД.

Работоспособность и преимущества по сравнению с антенной-прототипом были подтверждены испытаниями изготовленной в Сибирском физико-техническом институте антенны. При установке приемо-передающей петлевой антенны внутри автомобиля УАЗ-469 с брезентовыми тентом была осуществлена круглосуточная двухсторонняя радиосвязь с базовой станцией в диапазоне 3 6 МГц на расстояниях до 500 км в движении и на стоянках.

Формула изобретения

1. Приемопередающая петлевая антенна, содержащая разомкнутую петлю и два настроечных конденсатора, первые выводы которых соединены и образуют один вывод антенны, а второй вывод одного конденсатора соединен с первым концом петли, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введена вторая разомкнутая петля, первый конец которой соединен с вторым выводом другого конденсатора, вторые же концы обеих петель соединены и образуют другой вывод антенны.

2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что в ней указанные петли ориентированы противоположно относительно их соединенных вторых концов.

3. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что в ней указанные петли относительно их соединенных вторых концов ориентированы одинаково.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3