РЕЗОНАНСНАЯ ПЕРЕСТРАИВАЕМАЯ АНТЕННА
RESONANCE TUNABLE ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в малогабаритной приемопередающей технике средневолнового диапазона для ведения мобильной радиосвязи и осуществления индукционной связи и как отдельная антенна, предназначенная для установки на стационарных и подвижных объектах связи, что очень актуально в шахтах и рудниках, где требуются малогабаритные антенны.
В настоящее время известно, что размеры эффективных современных антенн гектометрового и декаметрового диапазонов радиоволн составляют десятки и сотни метров, что существенно уменьшает их использование в подвижной радиосвязи, увеличивает время стационарной установки антенн для осуществления радиосвязи, а в шахте в условиях ограниченного пространства делает их использование практически невозможным. Такие типы антенн сдерживают развитие и применение как самой гектометровой и декаметровой радиосвязи, так и конструкций приемопередающих устройств в области длинноволновой, средневолновой и коротковолновой радиосвязи. Эти диапазоны радиоволн представляются наиболее привлекательными для осуществления связи в шахтах как непосредственно через породу, так и с помощью индукции, так как такие сигналы хорошо и с минимальными потерями распространяются вдоль кабельных линий.
Известна антенна по патенту на полезную модель РФ 154886, которая состоит из тонкого вибратора, трансформатора на ферритовом кольце, удлиняющей катушки и противовеса. В данной антенне перестройка частоты осуществляется с помощью подвижного электрода, подключенного к противовесу внутри удлиняющей катушки, с витками которой этот электрод образует емкостную связь и шунтирует эту удлиняющую катушку.
Такая конструкция не может использоваться в качестве переносной антенны, так как наличие противовеса значительно увеличивает объемы антенны. Более того, такая конструкция, где применяется тонкий длинный вибратор, будет неудобна в качестве переносной в подземных сооружениях -шахтах и пещерах.
Конструкция предлагаемой антенны лишена ферритовых сердечников, что значительно увеличивает максимальный уровень мощности входного сигнала.
Антенна состоит из вибратора - излучающего элемента, представляющего 2D - плоское или 3D - объемное проводящее тело, обладающее электрической емкостью. Наиболее удобным будет использовать в качестве такого вибратора вертикально или горизонтально расположенный проводящий цилиндр. Антенна имеет в своем составе согласующий трансформатор с изменяемым коэффициентом трансформации в виде первичной и вторичной обмоток. Трансформатор расположен таким образом, чтобы магнитное поле трансформатора выходило за пределы трансформатора и охватывало вибратор. Магнитное поле трансформатора - это достаточно быстро убывающее по своему значению поле, фактически сосредоточенное в пространстве, не превышающем нескольких единиц линейных размеров самого трансформатора, как правило, этот размер пространства менее 1% длины волны излучаемой антенной. Для осуществления перестройки резонансной частоты вблизи витков вторичной обмотки трансформатора располагается емкостной элемент, который подключается гальванически к любой точке трансформатора и может передвигаться вдоль оси вторичной катушки, приближаясь к виткам катушки или удаляясь от них.
В качестве такого элемента может выступать сам вибратор, который для настройки частоты перемещается вдоль оси вторичной катушки.
Для того, чтобы резонансная антенна не только плавно перестраивалась в рамках одного диапазона радиоволн, но и могла работать на нескольких частотных диапазонах, первичная и вторичная обмотки трансформатора выполнены из нескольких секций, которые подключаются последовательно с помощью реле. От количества подключенных секций зависит значение индуктивности обмотки и частотный диапазон.
Таким образом, антенна дает возможность пользователям шахтных индукционных систем связи оперативно организовывать как стационарные точки связи, так и вести связь на ходу вдоль линий индукционной связи.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому устройству является антенна по патенту RU №2488927 «Перестраиваемая резонансная антенна с согласующим устройством». Эта антенна содержит вибратор в виде 2D или 3D проводящего тела, согласующий трансформатор на незамкнутом магнитопроводе, вторичная обмотка которого подключена к вибратору, а на первичную - подается питание. Эта антенна имеет очень малые габариты и может использоваться в мобильной радиосвязи, однако она обладает существенным недостатком, а именно, подобная конструкция антенны может эффективно использоваться только для излучения сигналов портативных радиостанций небольшой мощности 1-5 Вт, поскольку при подаче сигнала большей мощности ферритовый стержень, из которого выполняется магнитопровод, входит в магнитное насыщение и нагревается, что не позволяет использовать эти антенны для передачи мощностей в несколько десятков и сотен Ватт, что особенно требуется в случае организации узла стационарной радиосвязи.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в возможности перестроения рабочей частоты малогабаритной антенны в достаточно широком диапазоне при использовании источников сигнала повышенной мощности в десятки и сотни Ватт при сохранении ее малых габаритных размеров, что расширяет функциональные возможности радиоаппаратуры, в особенности, в условиях ограниченного объема (шахты, пещеры), кроме того антенна может перестраиваться и на другие диапазоны радиоволн.
Указанный технический результат достигается тем, что в антенне, содержащей согласующее устройство в виде трансформатора, состоящего из первичной и вторичной обмоток, а также вибратора в виде плоского или объемного проводящего тела, находящегося в магнитном поле трансформатора и подключенного к его вторичной обмотке, согласно заявляемого изобретения, вблизи вторичной катушки располагается настроечный элемент в виде подвижного емкостного элемента (электрода).
Емкостной элемент делается подвижным вдоль оси вторичной катушки, и антенна содержит механизм передвижения данного элемента, который может быть выполнен в виде электродвигателя с винтом, который вращаясь поднимает или опускает емкостной элемент и тем самым изменяет рабочую частоту антенны.
Изменение рабочей частоты антенны происходит из-за изменения шунтирующей емкости между витками вторичной обмотки и настроечным емкостным элементом. Это изменение частоты возможно в пределах ширины полосы 10-20% от центральной частоты. А для того, чтобы перейти на другой частотный диапазон первичная и вторичная обмотки трансформатора выполняются из нескольких секций, которые подключаются с помощью реле. При подключении дополнительных секций выбирается более низкий диапазон радиоволн, а при отключении секций более высокий.
Изобретение может быть реализовано промышленным способом с использованием известных технических средств, технологий и материалов и соответствует требованиям критерия "промышленная применимость".
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена конструктивная схема антенны.
В качестве каркаса антенны используется диэлектрическая труба, на которой размещается объемный проводящий вибратор 1 в виде цилиндра. Он может быть выполнен из фольги, приклеенной к каркасу.
На каркасе размещены первичная 2 и вторичная 3 обмотки трансформатора, к которым подсоединен антенный вход 5. Внутри каркаса на отрезке пластиковой трубы установлен емкостной элемент 4, который может быть выполнен из фольги. Имеется механизм перемещения 6 емкостного элемента 4 для настройки антенны, состоящий из электродвигателя, редуктора и винта, расположенных на оси вторичной катушки, при вращении которого емкостной элемент перемещается вдоль этой оси.
Более подробно устройство антенны показано в разрезе двух плоскостей на фиг 2. А) и В). Каркас антенны 8 располагают в защитном кожухе 7, который тоже выполняют из диэлектрического материала. Устройство перемещения подстроечного емкостного элемента 6 состоит из электродвигателя 6.1, редуктора 6.2, винта 6.3 на оси катушек трансформатора, гайки из диэлектрического материала 6.4, в которой вращается винт. Гайка 6.4 жестко закреплена в трубке 9, на которой снаружи находится емкостной элемент 4 в виде слоя фольги. Для того чтобы трубка 9 с гайкой 6.4 не проворачивалась при вращении винта 6.3 и перемещалась вверх-вниз, на трубке 9 и каркасе антенны 8 размещены направляющие 10. Емкостной элемент 4 подключается гибким изолированным проводником к любой точке трансформатора, например Л, В, D или Е. На фиг. 3 А) показано подключение подстроечного элемента 4 к концу вторичной обмотки в точке Е, а на фиг. 3 В) показано подключение емкостного элемента к точкам В и D, т.е. к концу первичной и началу вторичной катушек.
На фиг. 4 изображена антенна, где вибратор 1 выполняет роль подстроечного элемента 4 и перемещается вдоль оси катушки 3 внутри нее.
1
2
N
На фиг. 5 изображена эквивалентная электрическая схема антенны. Подстроечный емкостной элемент 4 и витки вторичной катушки образуют серию подстроечных конденсаторов переменной емкости C, C…C, емкость которых зависит от расположения элемента 4.
На фиг. 6 изображен фрагмент электрической схемы трансформатора двухдиапазонной антенны. Первичная катушка состоит из двух сегментов 2.1 и 2.2, а вторичная катушка из сегментов 3.1 и 3.2. Сегменты 2.2 и 3.2 подключаются последовательно к катушкам с помощью реле. Когда эти катушки подключены, антенна работает на нижнем диапазоне радиоволн, а когда отключены, то на более высоком диапазоне. Таким техническим решением достигается многодиапазонность антенны.
Антенна работает следующим образом.
При подаче высокочастотного сигнала на первичную обмотку 2 трансформатора в ней возникает магнитное поле, которое индуцирует магнитное поле во вторичной катушке 3. Вокруг трансформатора возникает магнитное поле, вектор магнитной индукции которого направлен вдоль вторичной катушки. Электрическое поле, вектор напряженности которого направлен перпендикулярно поверхности вибратора 1, возникает из-за подачи на него высокого напряжения со вторичной повышающей обмотки 3 трансформатора, который электрически соединен с вибратором 1. Исходя из того, что поверхность вибратора 1 находится в зоне действия магнитного поля трансформатора, так что угол между вектором магнитной индукции и вектором напряженности электрического поля, возникающего на вибраторе, близок к 90°, то вблизи вибратора возникают условия, достаточные для формирования радиоволн.
Поскольку данная антенна резонансная и представляет собой открытый колебательный контур, то внесение в данный контур любых реактивных элементов изменит резонансную частоту. Таким реактивным элементом выступает емкостной элемент 4, который шунтирует вторичную обмотку трансформатора, вызывает изменение резонансной частоты и перестраивает антенну на другую частоту. Это позволяет перестраивать частоту антенны в диапазоне 10-20% от центральной частоты диапазона. Для перехода на другой диапазон требуется отключить или подключить части секций первичной 2 и вторичной катушки 3 трансформатора.