РЕЗОНАНСНАЯ СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА
RESONANT SPIRAL ANTENNA

Изобретение относится к области антенной техники, а именно к малогабаритным резонансным спиральным антеннам.
Одной из основных проблем малогабаритных антенн является ограничение максимальной подводимой мощности сигнала.
Известны малогабаритные резонансные рамочные антенны [например, патент RU 2490761, патент US 5072233], которые представляют собой один или несколько витков проводника, подключенного к одному или нескольким конденсаторам переменной емкости. Конденсаторы переменной емкости настраивают рамочную антенну в резонанс и перестраивают по рабочему диапазону частот.Для работы антенны в режиме передачи на достаточную мощность, конденсаторы переменной емкости должны иметь минимальные потери, что могут обеспечить только воздушные или вакуумные конденсаторы. При этом вследствие высокой добротности резонанса существует риск пробоя указанных конденсаторов. Для устранения риска пробоя конденсаторы переменной емкости должны иметь большие габариты.
Недостатком данных антенн, таким образом, является невозможность эффективной работы в режиме передачи на достаточную мощность с сохранением малых массогабаритных показателей.
Известна антенна по изобретению [патент EP 3252959], состоящая из первичной катушки, подключенной к точке питания, и вторичного резонансного контура, содержащего многовитковую рамочную антенну и конденсатор. Первичная катушка также содержит конденсатор, обеспечивающий резонанс первичной катушки, и связана с вторичным резонансным контуром индуктивной связью.
Недостатком указанного изобретения является невозможность эффективной работы в режиме передачи на достаточную мощность с сохранением малых массогабаритных показателей.
Наиболее близкой заявленному изобретению является резонансная спиральная антенна [патент JP 2015164270], состоящая из первичной катушки и вторичных катушек с объемной спиральной намоткой, электрически не соединенных между собой или с катушкой возбуждения. Первичная катушка является рамкой, подключенной к точке питания, и связана индуктивной связью с вторичными катушками, имеющими собственные резонансные частоты, и возбуждает их.
Недостатком являются большие габариты спиральных катушек с объемной намоткой и их малая эффективность в качестве излучающих элементов.
Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение габаритных размеров, повышение эффективности резонансной спиральной антенны и обеспечение возможности работы на передачу на высокой мощности.
Указанный технический результат достигается тем, что в резонансной спиральной антенне, состоящей из первичной катушки, подключенной к точке питания, и вторичной спиральной катушки, которая связана индуктивной связью с возбуждающей ее первичной катушкой, согласно заявленному изобретению вторичная катушка имеет плоскую спиральную намотку проводником, состоящую из N слоев и M витков, намотанных последовательно.
Такая форма вторичной катушки приводит к тому, что вектор напряженности электрического поля направлен от центра к периферии вторичной катушки перпендикулярно вектору магнитного поля.
Резонансная спиральная антенна может во вторичной катушке содержать токопроводящие области (электроды), расположенные одна в центре, другая по периферии, электрически соединенные с соответствующими концами проводника вторичной катушки.
Резонансная спиральная антенна может содержать несколько плоских вторичных спиральных катушек, электрически соединенных так, что один из концов одной спиральной катушки связан с одним из концов последующей спиральной катушки.
В спиральной резонансной антенне вторичная катушка может быть подключена выводами к конденсатору переменной емкости.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где:
Фиг. 1 - Резонансная спиральная антенна по основному пункту, где M - количество витков намотки в плоскости, N - количество слоев;
Фиг. 2 - Эквивалентная схема резонансной спиральной антенны;
Фиг.3 - Пояснение к принципу работы антенны;
Фиг.4 - Вариант вторичной катушки с электродами;
Фиг.5 - Резонансная спиральная антенна с дополнительной плоской спиральной катушкой;
Фиг.6 - Резонансная спиральная антенна с конденсатором переменной емкости.
m
n
На фиг. 1 B1 - максимальный габаритный размер первичной катушки, B2 - максимальный габаритный размер вторичной катушки, M - количество витков вторичной катушки в плоскости, N - количество слоев вторичной катушки, a - расстояние между витками, a - расстояние между слоями.
1
2
Согласно настоящему изобретению, плоскость, в которой лежит первичная катушка, и плоскость, в которой лежит вторичная катушка, могут быть разнесены в пространстве и ориентированы не параллельно, помимо этого обе указанные плоскости могут совпадать. Например, в случае, если плоскости совпадают, размер B (фиг. 1) может превосходить B. Помимо этого, первичная катушка может быть выполнена из нескольких последовательных витков. Взаимным расположением первичной и вторичной катушек добиваются необходимого согласования антенны.
Конструктивно вторичная катушка заявляемой антенны может быть выполнена из многожильного провода (литцендрата), намотанного на диэлектрический каркас. Первичная катушка может быть расположена по контуру каркаса.
На фиг. 2 приведена эквивалентная схема резонансной спиральной антенны по настоящему изобретению, на которой первичная катушка эквивалентна индуктивности (1), а вторичная - каскаду П-образных контуров, индуктивности (2) которых обусловлены проводниками со спиральной намоткой, а емкости (3) - межвитковой связью. Отличительной особенностью указанного изобретения является высокий коэффициент связи k первичной катушки, представляющей собой плоскую рамку, и вторичной катушки, представляющей собой плоскую спиральную катушку, который превышает коэффициент связи плоской рамки с объемной спиральной катушкой. В следствии этого возрастает коэффициент полезного действия антенны в целом и обеспечивается простота согласования. Еще одна особенность показана на фиг. 3: разность потенциалов (падение напряжения) и напряженность электрического поля направлены в плоских спиральных катушках радиально от периферии к центру, в объемных - аксиально от начала спиральной намотки проводника до окончания спиральной намотки.
Таким образом, в антенне возникающие электрические и магнитные поля перпендикулярны, что способствует увеличению излучающей способности антенны.
Последняя особенность позволяет сконструировать спиральную катушку с электродами, расположенными один в центре, другой по периферии, электрически соединенными с соответствующими концами проводника спиральной катушки, добавляющими дополнительную емкость и увеличивающими электрическую компоненту поля излучения антенны, как изображено на фиг. 4. Электрод, находящийся по периферии, имеет разрыв, чтобы не возникало кольцевого тока.
На фиг. 5 представлена резонансная спиральная антенна, содержащая несколько дополнительных плоских спиральных катушек, электрически соединенных с основной вторичной катушкой. Размеры каждой дополнительной спиральной катушки могут отличаться друг от друга. При этом, в зависимости от их взаимного расположения и расположения относительно рамки возбуждения, будет зависеть резонансная частота.
На фиг. 6 представлен вариант включения во вторичную катушку конденсатора переменной емкости. Данный вариант пригоден для работы при небольшой подводимой мощности сигнала. Изменение емкости конденсатора позволяет производить перестройку резонансной частоты в область более низких частот, относительно частоты собственного резонанса спирали вторичной катушки.