Малогабаритная резонансная рамочная коаксиальная антенна

Малогабаритная резонансная рамочная коаксиальная антенна

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано в приемопередающей радиоаппаратуре, преимущественно в средневолновых и коротковолновых системах радиосвязи.

Известны малогабаритные резонансные рамочные антенны [Ротхаммель К., Кришке А. Энциклопедия антенн.: Пер. с нем. - М.: ДКМ Пресс, 2011], излучающий элемент которых представляет собой один или несколько витков проводника, подключенного к схеме настройки и согласования, состоящей из ряда последовательных и параллельных перестраиваемых реактивных элементов.

Данные антенны из-за малой индуктивности рамок сложны в настройке и согласовании с питающим фидером, имеющим относительно низкое волновое сопротивление, и, как правило, имеют недостаточную полосу перестройки.

Известна рамочно-лучевая антенна [Патент на полезную модель RU №92574, МПК H01Q 19/00, опубл. 20.03.2010], содержащая вертикально расположенную рамку с коаксиально расположенным в ней проводником, наружный проводник рамки и внутренний проводник подключены к конденсаторам настройки С-1 и С-2 и образуют два связанных контура, при этом контур, образованный наружным проводником и конденсатором С-2, соединен с лучами, образуя вместе с ними рамочно-лучевую антенну.

Недостатком антенны является наличие лучевых частей, увеличивающих габариты, и то, что контур, образованный внутренним проводником и конденсатором С-2, не подключен к фидеру и напрямую не участвует в передачи энергии между антенной и приемопередатчиком.

Наиболее близкой заявляемой является малогабаритная резонансная рамочная антенна, состоящая из коаксиального излучателя и схемы настройки и согласования [Lloyd Butler. A Crossed Field Loop Antenna for 3.5 MHz. URL: http://users.tpg.com.au/users/ldbutler/XFieldLoop.pdf, (оригинальная статья опубликована в журнале “Amateur Radio”, май-июнь 2003)]. Внутренний проводник и оболочка коаксиального излучателя настраиваются на резонансную частоту катушками индуктивности L₁, L₂ и конденсаторами переменной емкости C₁, С₂ схемы настройки и согласования. Излучатель антенны выполнен в виде коаксиальной рамки и подключен к схеме настройки и согласования с одного конца оболочкой к L₁, внутренним проводником - к L₂, с другого конца оболочкой - к C₁, а внутренним проводником - к С₂.

Недостатком данного решения является невозможность повышения эффективности антенны с одновитковым излучателем без увеличения габаритов антенны.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение эффективности малогабаритной резонансной рамочной коаксиальной антенны при сохранении малых габаритов.

Указанный технический результат достигается тем, что в малогабаритной резонансной рамочной коаксиальной антенне, состоящей из коаксиального излучателя и схемы настройки и согласования, включающей настроечные катушки индуктивности, подключенные с одного конца коаксиального излучателя, настроечные конденсаторы переменной емкости, подключенные с другого конца коаксиального излучателя, разделительный конденсатор и трансформатор, причем один из настроечных конденсаторов включен между оболочкой коаксиального излучателя и заземлением, второй настроечный конденсатор включен между внутренним проводником коаксиального излучателя и разделительным конденсатором, одна катушка индуктивности включена между внутренним проводником коаксиального излучателя и заземлением, другая катушка индуктивности включена между оболочкой коаксиального излучателя и разделительным конденсатором, согласно заявленному изобретению коаксиальный излучатель дополнительно содержит N параллельных коаксиальных рамок, намотанных в один или несколько витков так, что с одного конца излучателя оболочки рамок электрически соединены друг с другом, а между внутренними проводниками и заземлением включены дополнительно N настроечных катушек индуктивности, с другой стороны коаксиального излучателя оболочки рамок электрически также соединены друг с другом, а между внутренними жилами и разделительным конденсатором включены дополнительно N настроечных конденсаторов переменной емкости.

В малогабаритной резонансной рамочной коаксиальной антенне в качестве катушек индуктивности могут быть использованы вариометры.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

Фиг. 1 - функциональная схема антенны;

Фиг. 2 - график зависимости действующей высоты антенны для случаев с различным числом параллельно включенных рамок.

На фиг. 1 L₁-L_N+2 - настроечные катушки индуктивности, C₁-C_N+2 - настроечные конденсаторы переменной емкости, Ср - разделительный конденсатор, Тр - трансформатор, S1 - выход фидера, N+1 - количество рамок. Коаксиальный излучатель антенны состоит из нескольких коаксиальных рамок, соединенных между собой на концах оболочками электрически так, что образуется общая оболочка. Коаксиальный излучатель подключен к настроечным конденсаторам переменной емкости C₁-C_N+2 общей оболочкой и внутренними проводниками каждой рамки в отдельности с одного конца и к настроечным катушкам индуктивности L₁-L_N+2 - с другого.

Каждая рамка в отдельности представляет собой коаксиальный излучатель, внутренний проводник и оболочка которого настраиваются синфазно, за счет чего на внутренней поверхности оболочки происходит наведение тока током внутреннего проводника. Ток на внутренней поверхности оболочки затекает на внешнюю поверхность оболочки, увеличивая синфазный ток на ней. Настроечные конденсаторы переменной емкости C₁-C_N+2 последовательно настраивают антенну на резонансную частоту в рабочем диапазоне так, чтобы токи, проводимые внутренними проводниками и общей оболочкой, имели одну фазу. За счет суммирования токов на оболочке каждой рамки в отдельности происходит увеличение тока на общей оболочке коаксиального излучателя.

Использование вариометров вместо катушек индуктивности L₁-L_N+2 позволяет, меняя значения индуктивности, расширить диапазон перестройки резонансной частоты антенны.

Эффективность малогабаритной антенны определяется параметрами мощность излучения, действующая высота. Ниже приведен расчет мощности излучения рамочной коаксиальной антенны, излучатель которой состоит из нескольких рамок. Мощность излучения пропорциональна силе тока излучения (тока на внешней поверхности оболочки излучателя) и сопротивлению излучения:

,

где I_Σ - сила тока излучения на общей оболочке, Р_Σ - мощность излучения, R_Σ - сопротивление излучения.

Элементы схемы настройки и согласования настраивают контуры, содержащие внутренний проводник излучателя и оболочку так, чтобы токи в них имели одну фазу. Тогда ток, текущий по внутреннему проводнику, наводит ток на внутренней поверхности оболочки коаксиального излучателя, который затекает на внешнюю поверхность оболочки, увеличивая ток на ней.

Ток на общей оболочке антенны, состоящей из нескольких коаксиальных идентичных рамок, будет равен сумме токов на оболочках каждой рамки в отдельности:

,

где I_i - ток на каждой рамке в отдельности, М - общее количество рамок.

Следовательно,

.

Таким образом, параллельное соединение рамок увеличивает мощность излучения.

Проведены эксперименты в поле колец Гельмгольца, имитирующем поле дальней зоны, в которое помещалась антенна [Магнитное поле колец Гельмгольца // в кн. Яновский Б.М. Земной магнетизм. Часть II. - 1963, С. 233-237], которые позволили сравнить эффективность (по параметру «действующая высота» h_Д) средневолновых антенн по заявленному изобретению для излучателя из одной, двух, трех и четырех параллельных рамок. Результаты, представленные на графике на фиг. 2, нормированы относительно действующей высоты для антенны с излучателем из одной рамки. Из результатов экспериментов следует, что с увеличением числа параллельных рамок, согласованных по вышеизложенной схеме, происходит заметный рост эффективности антенны.

Таким образом, проведенные эксперименты подтверждают выводы из ранее приведенных зависимостей, что говорит о том, что заявленное изобретение позволяет повысить эффективность малогабаритной резонансной рамочной коаксиальной антенны.

1. Малогабаритная резонансная рамочная коаксиальная антенна, состоящая из коаксиального излучателя и схемы настройки и согласования, включающей настроечные катушки индуктивности, подключенные с одного конца коаксиального излучателя, настроечные конденсаторы переменной емкости, подключенные с другого конца коаксиального излучателя, разделительный конденсатор и трансформатор, причем один из настроечных конденсаторов включен между оболочкой коаксиального излучателя и заземлением, второй настроечный конденсатор включен между внутренним проводником коаксиального излучателя и разделительным конденсатором, одна катушка индуктивности включена между внутренним проводником коаксиального излучателя и заземлением, другая катушка индуктивности включена между оболочкой коаксиального излучателя и разделительным конденсатором, отличающаяся тем, что коаксиальный излучатель дополнительно содержит N параллельных коаксиальных рамок, намотанных в один или несколько витков так, что с одного конца излучателя оболочки рамок электрически соединены друг с другом, а между внутренними проводниками и заземлением включены дополнительно N настроечных катушек индуктивности, с другой стороны коаксиального излучателя оболочки рамок электрически также соединены друг с другом, а между внутренними жилами и разделительным конденсатором включены дополнительно N настроечных конденсаторов переменной емкости.

2. Малогабаритная резонансная рамочная коаксиальная антенна по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве катушек индуктивности использованы вариометры.