РАМОЧНАЯ АНТЕННА
LOOP ANTENNA

Область техники. Изобретение относится к области антенной техники. Оно предназначено для приема радиосигналов в радиосвязи, радиовещании и телевидении.
Уровень техники. Известные антенны имеют размеры, как правило, связанные с длиной рабочей волны. Это создает известные трудности при конструировании радиосистем, рассчитанных на множество различных рабочих частот. Антенные устройства получаются громоздкими, а на метровых и более длинных волнах имеют, кроме того, большие размеры.
Наиболее близким аналогом изобретения является общеизвестная рамочная антенна (РА). Она представляет собой проводник, изогнутый в виде рамки определенной формы: окружности, квадрата или иного контура. Рамка представляется интересным для радиотехники устройством из-за ее компактности и симметрии, на основе которой могло бы быть сформировано слабонаправленное поле для связи с ЛА и другими подвижными объектами.
Однако для успешной реализации ее достоинств необходимо использовать специальные схемы включения. Без них сама по себе рамка представляет виток катушки индуктивности, который имеет малое активное сопротивление излучения по сравнению с ее индуктивным сопротивлением. Так, согласно проведенным расчетам, для рамки размером 300×420 мм отношение индуктивного сопротивления к активному составляет величину в пределах от 30 (на метровых волнах) до 5 (на дециметровых волнах) раз. В режиме передачи динамический диапазон выходного усилителя будет занят напряжением нагрузки индуктивного характера с незначительной активной составляющей и, соответственно, слабым излучением. В режиме приема индуктивное сопротивление рамки препятствует поглощению полезной мощности принимаемого сигнала из эфира. Это делает рамку неэффективной как при передаче, так и при приеме радиосигналов.
Раскрытие изобретения для п.1 формулы изобретения. Задачей изобретения является создание рамочной антенны, такой, в которой в рабочем диапазоне частот исключалось бы реактивное падение напряжения, что позволило бы получить ряд полезных технических результатов (пункты 1)-6)), описанных ниже.
1
2
3
n
Данная задача, согласно п.1 формулы изобретения, решается тем, что полотно рамки поделено поперечными разрезами на большое число n малых частей. При этом индуктивность L рамки оказывается разделенной на n частей L, L, L,…, L так, что
1
2
3
n
L=L+L+L+…+L.
Это разбиение показано условно на принципиальной схеме (Фиг.1).
В каждый разрез включаются конденсаторы большой емкости. Результирующая емкость получившейся гирлянды конденсаторов определяется как емкость С цепочки последовательно соединенных емкостей
1
2
3
n
C, C, C,…, C, т.е.
где символ || обозначает известный оператор
0
Емкость С выбирается так, чтобы она с индуктивностью L приходила в резонанс тока на частоте f внутри рабочего диапазона частот, т.е.
Индуктивные элементы, изображенные на схеме в виде стилизованных катушек, на самом деле представляют собой отрезки полотна рамки и расположены по контуру рамки желаемого формата на несущей конструкции, например на диэлектрической плате. На той же плате размещаются емкостные элементы.
Заявителю не известно о литературных источниках, содержащих предложения о многократных поперечных разрезах полотна рамки или витка индуктивности. На текущем уровне техники целесообразность разбиения какого-либо сосредоточенного элемента электрической цепи на малые, последовательно соединенные части представляется неочевидной.
Однако объяснение может дать теория поля.
Во-первых, индуктивность витка не является сосредоточенным элементом. ЭДС и, соответственно, индуктивность являются непрерывными функциями, распределенными вдоль проводника.
рам
см
Во-вторых, попытка нейтрализовать индуктивность целиком путем подключения к ней одного конденсатора в резонанс приводит к тому, что рамка перестает быть рамкой, а становится отрезком линии, короткозамкнутой на одном конце и нагруженной на емкость - на другом конце. Она создает бесформенное поле (Фиг.2), состоящее из двух слагаемых: поля, создаваемого током I в проводнике рамки, и поля, создаваемого токами смещения плотностью J, протекающими вне полотна между сторонами рамки. К тому же ток в полотне рамки неодинаковый вдоль полотна. Этим также снижается эффективность антенны, особенно при ее использовании в режиме передачи. Диаграмма направленности такого устройства сильно зависит от места подключения конденсатора.
0
0
k
Принцип действия заявляемого устройства, приводящий к возникновению положительного отличительного эффекта, состоит в следующем. Индуктивное сопротивление рамки iωL, будучи разбитым на большое число малых сопротивлений iωL, равномерно расположенных вдоль полотна рамки, компенсируется по частям равным по величине и противоположным по знаку емкостным сопротивлением , k=1, 2, 3,…,n. То есть для каждой части соблюдается условие резонанса на одной и той же рабочей частоте
В результате вдоль полотна рамки нигде не возникает большого реактивного падения напряжения. Индуктивные и емкостные напряжения противоположных знаков чередуются и имеют вдоль полотна вид маленьких зубцов, высота которых тем меньше, чем больше n. Это приводит практически к исчезновению нежелательных электрических полей между сторонами рамки, а остаются только полезные вихревые электрические поля в плоскости рамки и в параллельных к ней плоскостях. В частности, вихрь, прижатый непосредственно к рамке, создает сопротивление излучения. Поле становится упорядоченным, а сопротивление - минимальным и чисто активным. Это приводит к улучшению технических характеристик рамки, а именно:
1) настройка резонаторной рамочной антенны (РРА) малочувствительна к окружающим предметам, в том числе - к присутствию заземленного кабеля; не требуются специальные схемы симметризации;
2) РРА разных частотных диапазонов можно близко располагать друг от друга и, в частности, вкладывать друг в друга, как матрешки, что позволяет создавать компактные конструкции многоканальных антенн, не опасаясь взаимных влияний;
3) можно проектировать рамки на высокие частоты, поскольку гирлянда состоит из больших емкостей, по сравнению с которыми паразитные емкости, окружающие рамку, которые могли бы внести расстройку, как правило, - малые емкости;
4) можно выбирать размер рамки независимо от рабочей длины волны, т.к. она настраивается в резонанс на рабочей частоте не по геометрическим размерам, а по значению емкости С; при этом необходимо лишь согласование активной нагрузки с сопротивлением излучения рамки.
Результат, близкий к оптимальному, достигается, если и индуктивность витка, и его емкость делятся на равные части. В этом случае получается гирлянда, состоящая из n последовательных колебательных контуров, имеющих одинаковую резонансную частоту. Число n, на которое следует разбивать контур, желательно устанавливать по возможности большим, однако существенное улучшение характеристик рамки может наступить уже при значениях n≥4.
В режиме приема плоскость РРА располагают в плоскости поляризации векторов принимаемого сигнала с напряженностью поля  Циркуляции поля равна ЭДС Э, т.е.
ЭДС наводит ток в рамке, который создает напряжение на входе приемника непосредственно или через согласующий трансформатор.
При малых размерах рамки, т.е. когда размер каждой из сторон рамки не превышает четверти длины волны, ЭДС, наводимая в рамке электромагнитным полем, мала по величине. Направление поля около противоположных сторон рамки одинаково и, вследствие запаздывания по фазе, немного различается по модулю, а ЭДС, наводимые на этих сторонах, в электрической цепи будет направлены в противоположных направлениях, что приводит к их частичной взаимной компенсации. В то же время и сопротивление излучения антенны составляет также небольшую величину. Например, на метровых волнах при размерах рамки менее 1 м оно составляет величины от долей до единиц Ом, что значительно меньше сопротивления нагрузки 75 Ом. То есть напряжение сигнала на входе приемника дополнительно можно повысить при применении согласующего повышающего трансформатора. Поэтому, несмотря на относительно малые размеры, сигнал на выходе РРА в приемном режиме может превышать аналогичный сигнал известного полуволнового вибратора.
Физическим объяснением этому может служить большой ток антенны при резонансе, позволяющий извлекать из эфира предельно высокую мощность. А именно, активный ток антенны создает реизлучение, направленное, в частности, навстречу принимаемому излучению. Возникает интерференция (Фиг.3). Известно, что токи одного направления притягиваются друг к другу. При этом в пучности интерференции на линии приемник-передатчик силы взаимодействия токов смещения приводят лишь к незначительному уплотнению пучности. Однако в стороне от этой линии взаимное притяжение токов смещения приводит к взаимному притяжению линий тока и, следовательно, - к деформации волновых фронтов. Для падающей волны фронт из почти плоского становится вогнутым вперед. Для волны реизлучения сферический фронт распрямляется, т.е. приобретает больший радиус.
1
2
3
1
2
Этот процесс поясняется на фиг.3. На этом чертеже показан только один период волны и обозначено: линия Ф - положение максимума тока смещения первичной волны без учета ее взаимодействия с вторичной волной (реизлучения); линия Ф - положение максимума тока смещения вторичной волны без учета ее взаимодействия с первичной волной; линия Ф - положение максимума пучности тока смещения стоячей волны, возникающей в результате взаимного притяжения токов смещения первичной и вторичной волн. F и F - силы взаимного притяжения токов смещения первичной и вторичной волн соответственно.
С другой стороны, в узлах интерференции, где токи смещения первичного и реизлучения направлены в противоположные стороны, действуют силы их взаимного отталкивания. Однако вследствие частичной взаимной компенсации токов противоположного направления в стороне от линии передатчик-приемник эти силы незначительны, а на самой этой линии они отсутствуют полностью.
Таким образом, происходит искривление падающих лучей в сторону приемной антенны. Иначе говоря, поле реизлучения образует перед приемной антенной собирающую линзу, и этот эффект выражен тем сильнее, чем больше ток реизлучения и чем точнее его направление совпадает с направлением принимаемого поля. Отсюда вытекают следующие достоинства РРА:
5) для своих малых габаритов РРА вырабатывает высокий уровень выходного сигнала;
6) в равнонаправленных приемных РРА сильный сигнал возникает вследствие действия линзы, создаваемой реизлучением; в направленных РРА возникает дополнительное усиление, обусловленное более интенсивным реизлучением в лепестке диаграммы направленности.
Авторам изобретения заранее не были известны свойства 5) и 6), но были замечены в процессе работы с опытным образцом. Затем им было дано приведенное выше объяснение. В литературных источниках данное объяснение, основанное на эффекте линзы, создаваемом током реизлучения, авторам не известно.
Вместе с этими техническими результатами необходимо отметить и недостатки некоторых возможных вариантов реализации РРА. Так, если в качестве полотна антенны использовать обыкновенный провод, то резонанс будет наблюдаться лишь в относительно узкой полосе частот, что неприемлемо для передачи и приема широкополосных сигналов. Кроме того, в этом случае необходимо применение несущей конструкции для размещения провода и конденсаторов.
Сравнение с ближайшим прототипом. Ближайший прототип описан в патенте Великобритании GB №2166000 за 1986 г. Независимый пункт 1 формулы этого изобретения, а также пп.2-4 гласят:
CLAIMS
1. Система передачи или приема высокочастотных сигналов, содержащая рамку с одним или более витком и одной или более емкостью, по меньшей мере, в одном витке, в которой упомянутые емкости существенно компенсируют разность фаз между одним и другим концом антенны.
2. Система, заявленная в п.1 формулы, в которой емкости расположены симметрично относительно точки подключения питающей линии к рамочной антенне.
3. Система, заявленная в п.1 или п.2, в которой значения емкостей адаптированы к ширине полосы пропускания.
4. Система, заявленная в пп.1-3, содержит только один виток.
Можно видеть, что формула этого изобретения содержит неопределенные количественные характеристики, такие как «один или более». В этом случае необходимо давать уточнение. Возникает вопрос, каким образом располагать конденсаторы, если их «более» одного? Этот вопрос для антенной техники имеет принципиальное значение, поскольку от того, каким образом в конструкции будет расположено множество конденсаторов, зависит конфигурация электромагнитного поля и, как следствие, характеристики антенны.
Уточняющий пункт 2 claims для нашей заявки не требуется, т.е. конденсаторы не обязательно должны располагаться симметрично.
Зато, согласно формуле изобретения в заявке, конденсаторы должны располагаться равномерно. Более того, в формуле указано, что величины каждой из емкостей должны приводить к резонансу с индуктивностью прилежащего отрезка полотна. Конденсаторов должно быть не просто «более одного», а «много». Когда конденсаторов «мало», то между их обкладками и между прилегающими к ним проводниками будут возникать значительные электрические поля (см. фиг.2 и пояснения в тексте), что будет приводить к чувствительности настройки к окружающим предметам, ухудшению конфигурации поля и потере других преимуществ, перечисленных выше в пп.1)-6). Именно эти условия являются существенными для возникновения заявленного положительного эффекта, но никакие из этих условий в цитируемом патенте не предусматриваются.
Таким образом, совокупность признаков в формуле изобретения, содержащейся в заявке, и формально, и по физической сущности не совпадает с совокупностью признаков в формуле изобретения цитируемого патента.
Раскрытие изобретения для п.2 формулы изобретения. Задачей данного пункта изобретения является создание рамочной антенны, такой, которая, кроме перечисленных пунктов 1)-6), обладала бы более широкой полосой пропускания и более простой конструкцией.
Для этого предлагается полосковый вариант реализации РРА, полотно которой представляет собой плату из диэлектрика, покрытого с обеих сторон проводящей фольгой.
В частности, оно может иметь форму прямоугольной рамки (Фиг.4) со сторонами длиной a и b. А именно, полотно антенны выполняется в форме прямоугольника, составленного из полосковых плат шириной g и толщиной d. Плоскости плат лежат в плоскости рамки. Материал платы - диэлектрик желательно с малыми диэлектрическими потерями, покрытый с обеих сторон проводящей фольгой. Фольга с каждой стороны полотна поделена поперечными прорезями на приблизительно равные участки. Прорези на обратной стороне плат в плане расположены посередине между прорезями лицевой стороны. Так вдоль всего полотна получается последовательная цепочка емкостей, образованных противолежащими участками фольги лицевой и обратной сторон. Этим самым рамка приобретает электрическую конфигурацию схемы фиг.2.
Такой вариант представляет собой несущую конструкцию и необходимые электрические функции. Последовательные емкости рамки выделяются определенным образом между слоями фольги, а погонные индуктивности полотна являются собственной характеристикой полотна. Для такой антенны емкость гирлянды, получаемой в результате разрезания фольги на n/2 равных по площади частей с каждой стороны, можно определить как
пл
где C - емкость, образованная слоями фольги всего полотна без прорезей;
пл
0
S - площадь платы; εε - абсолютная диэлектрическая проницаемость платы.
Индуктивность рамки, а также ее частей, зависит от формы рамки и ее размеров. Кроме того, она зависит также от формы и размеров поперечного сечения самого проводника. То есть индуктивность зависит от распределения тока по поперечному сечению проводника. Но это распределение зависит от дополнительных условий, поясняемых ниже.
max
min
В рамке из пластин для тока существует множество путей. Когда ток прижимается к наружным краям пластин, наиболее удаленным от центра рамки, индуктивность пути такого тока будет максимальной, L. Когда ток распределяется равномерно по всей ширине пластины с небольшим уплотнением к внутренним краям пластин, индуктивность пути будет минимальной, L. Когда в рамке наводится переменная ЭДС разных частот, то возникающие токи, в принципе, могут проходить в рамке по разным путям. Под влиянием наводимых ЭДС, обусловленных взаимными индуктивностями путей, происходит подавление слабых токов более сильными.
В рассматриваемом случае чередующихся индуктивностей и емкостей самый сильный ток - это ток резонансной частоты. Поэтому в поперечном сечении проводника антенны на каждой частоте спектра сигнала устанавливается такое распределение тока, при котором получающаяся эффективная индуктивность вступает в резонанс с емкостью антенной гирлянды конденсаторов. Значит, для всех частот в диапазоне от  до  антенна будет находиться в состоянии резонанса.
max
min
Максимальная индуктивность L вычисляется как для круглого проводника с длиной окружности поперечного сечения 4d, а минимальная L - также, но с длиной окружности поперечного сечения 2(d+g). Отсюда видно, что, выбирая достаточную ширину платы g, можно обеспечить необходимую полосу пропускания антенны, не прибегая к искусственному внесению потерь в рамку.
Следовательно, описанный полосковый вариант реализации обеспечивает дополнительное преимущество РРА:
7) максимально возможное значение тока и чисто активное сопротивление рамки, равное сопротивлению излучения, в широкой полосе частот.
Этим обеспечивается высокое качество передачи и приема.
Раскрытие изобретения для п.3 формулы изобретения. Задачей изобретения по п.3 формулы является создание антенн со сверхширокой полосой пропускания или с желаемой комбинацией полос пропускания.
Для этого в проем рамки, показанной на фиг.4, следует вложить рамку меньшего размера на другой, как правило, более высокий диапазон частот, в проем меньшей рамки - рамку еще меньшего размера и т.д. Каждая из них в своем диапазоне имеет малое сопротивление, а вне ее диапазона - большое сопротивление. Поэтому эти рамки можно подключить к общей нагрузке или кабелю параллельно или каждая - к соответствующей обмотке согласующего трансформатора. В результате можно, в принципе, построить антенну на одной плате, рассчитанную на сколь угодно широкий диапазон частот или на любую комбинацию разрозненных диапазонов. Таким образом, полосковый вариант усиливает технические результаты, обозначенные выше пунктами 2) и 7), а именно:
8) комбинируя на одной плате полосковые РРА разных частотных диапазонов, можно конструировать сверхширокополосные антенные устройства и устройства с комбинированными полосами пропускания предельно высокой добротности.
Техническим результатом по всем трем пунктам формулы изобретения является также возможность получения слабовыраженной диаграммы направленности при одновременном обеспечении всех остальных пунктов технических результатов (п.1)÷8)). Такая возможность подтвердилась экспериментально на опытном образце, хотя в литературных источниках, например, повышение усиления антенны связывают с сужением диаграммы направленности.
Опытный образец антенны реализован на одной плате размером 300×420 мм на 5 телевизионных диапазонах частот, т.е. - на все 52 телеканала. Разметка платы представлена на чертежах фиг.5 (нижняя сторона) и фиг.6 (верхняя сторона) в масштабе 1:2. Расчет электрических характеристик этой антенны приведен в приложении 1. Использованы следующие обозначения:
eps - относительная диэлектрическая проницаемость;
tgD - тангенс угла потерь;
la - длина волны;
ru - сопротивление излучения;
Хр - реактивное сопротивление;
L1 - индуктивность полотна на нижней частоте диапазона;
L2 - индуктивность полотна на верхней частоте диапазона.
Размеры указаны в метрах. Все величины указываются в международной системе единиц.
При разметке положения прорезей устанавливаются следующим образом. К середине размечаемой стороны прямоугольника прикладывается линейка делением 0,27 м. При этом для длинной стороны «а» счет длины (на фиг.5 и 6) идет снизу вверх, а для короткой стороны «b» - справа налево. Каждое значение, указанное при расчете разметки, указывает положение текущей поперечной прорези фольги.
В приложении 2 аналогично приведен расчет РРА размером 600×420 мм.
РРА излучает и принимает сигналы, поляризованные в плоскости рамки и в параллельных ей плоскостях и ориентированные в поперечном по отношении к лучу направлении. Поле имеет форму вихрей, окружающих рамку.
Для круглых рамок усиление антенны не зависит от ее ориентации в своей плоскости; для квадратных рамок, а также для прямоугольных рамок, если длина большей стороны не превышает четверти длины волны, эта зависимость весьма незначительна.
Диаграмма направленности для горизонтально ориентированной РРА при a,b<λ/4 представляет лежащий "бублик": в вертикальной плоскости - это символ «бесконечность» ∞ (Фиг.7а), в горизонтальной плоскости - круг (Фиг.7б).
Когда a=λ, b≤λ/2 и рамка расположена горизонтально, диаграмма направленности - симметричный "рыбий пузырь": в вертикальной плоскости, рассекающей рамку поперек стороне a - это символ ∞ (Фиг.7а); в плоскости рамки - это тоже ∞ (Фиг.7а); в плоскости, рассекающей рамку поперек стороне b, излучение отсутствует.
Назначение изобретения. Вследствие компактности, малого веса, значительного усиления РРА предназначена для применения в качестве встроенной или комнатной приемной телевизионной антенны. Так, описанный выше опытный образец антенны на 52 канала телевещания обеспечивает качество приема, превышающее данный показатель, по меньшей мере, для простого линейного вибратора. Кроме того, отсутствует необходимость изменять положение антенны после каждого переключения каналов.
Возможно также применение РРА в качестве легких и недорогих наружных антенн среднего радиуса действия.
РРА как слабонаправленную антенну целесообразно применять в качестве бортовых антенн на летательных аппаратах, неориентированных спутниках и других транспортных средствах из-за изменения ориентации транспорта относительно направления на корреспондента.
РРА можно устанавливать на ЛА как слабовыступающие антенны.
Мощные модификации с принципиальной схемой РРА можно применять в качестве передающих всенаправленных антенн для вещания.