РЕЗОНАНСНАЯ МНОГОДИАПАЗОННАЯ АНТЕННА
RESONANT MULTI-BAND 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. Это очень актуально в шахтах и рудниках, где практически в каждой горной выработке находится множество кабелей, вдоль которых хорошо распространяются сигналы средневолнового диапазона.
В настоящее время известно, что размеры эффективных современных антенн гектометрового и декаметрового диапазонов радиоволн составляют десятки и сотни метров, что существенно уменьшает возможность их использования в подвижной радиосвязи. А в шахте в условиях ограниченного пространства делает их использование практически невозможным, так как увеличивается время стационарной установки антенн для осуществления радиосвязи и могут отсутствовать условия для ее установки. 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 удлиняющую катушку.
Такая конструкция не может использоваться в качестве переносной антенны, так как наличие противовеса значительно увеличивает массогабаритные параметры 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 в виде первичной и вторичной обмоток. Трансформатор расположен таким образом, чтобы магнитное поле трансформатора выходило за его пределы 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 в разрыв трансформатора вводят подключаемую с помощью реле систему реактивных компонентов (емкости, конденсаторы) либо к одной из точек трансформатора с помощью реле подключают несколько емкостных элементов, располагаемых вблизи витков вторичной катушки трансформатора.
Таким образом, антенна дает возможность пользователям шахтных индукционных систем связи вести связь на ходу вдоль линий индукционной связи. Кроме того, возможность практически мгновенного переключения частотного канала в антенне позволяет использовать ее в многоканальных системах связи и массового обслуживания, что невозможно было достичь в условиях плавной подстройки резонансной частоты излучающих и передающих устройств.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемым устройствам является антенна по патенту RU №174319 «МОБИЛЬНАЯ СВ/КВ ВИБРАТОРНАЯ АНТЕННА». Эта антенна содержит тонкий вибратор, согласующий трансформатор, противовес и удлиняющую катушку, внутрь которой введены шунтирующие емкостные элементы, подключенные через коммутирующее устройство к противовесу. Недостатком данной конструкции является наличие противовеса, что ограничивает использование данной антенны в качестве переносной. Наличие длинного тонкого вибратора затрудняет использование данной антенны в шахтах и пещерах. Подводимая мощность ограничивается магнитным полем насыщения трансформатора на кольцевом ферромагнитном сердечнике.
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).
Указанный технический результат достигается тем, что в антенне, содержащей согласующее устройство в виде трансформатора, состоящего из первичной и вторичной обмоток, расположенных вблизи на одной оси, а также вибратора в виде плоского или объемного проводящего тела, находящегося в магнитном поле трансформатора и подключенного к его вторичной обмотке, согласно заявляемого изобретения к согласующему трансформатору в разрыв гальванически подключается с помощью управляемых реле реактивные дискретные компоненты (емкости, индуктивности) либо с помощью реле к одной из точек трансформатора подключаются емкостные элементы, расположенные рядом с витками вторичной катушки трансформатора.
Кроме того, чтобы сделать антенну двух или много диапазонной, первичная и вторичная обмотки трансформатора могут состоять из секций, которые подключаются с помощью реле. Так, например, можно сделать антенну двухдиапазонной с перестройкой по каждому диапазону, если первичная и вторичная обмотки будут состоять из двух подключаемых секций. Когда будут подключены все секции, будет действовать нижний диапазон, в случае отключения по одной из секций у вторичной и первичной обмоток антенна будет работать в верхнем диапазоне радиосигналов.
Чтобы управлять подобной антенной, кроме подачи ВЧ радиосигнала необходимо подавать от радиостанции также сигнал питания и управления.
Для упрощения подключения антенны к любой радиостанции, даже той, которая не имеет специальных функций для подачи питания и команд управления на антенну, антенна оснащается элементом питания (аккумулятором), процессором и датчиком тока и напряжения в высокочастотной линии для определения уровня текущей настройки антенны в резонанс. Кроме того, в качестве источника питания антенны может использоваться ионистор, который заряжается от ВЧ линии. Подобная конструкция антенны требует всего два провода для подачи только ВЧ сигнала. После измерения тока и напряжения в высокочастотной линии процессор определяет необходимые дискретные реактивные элементы L и С для подключения с помощью реле, которыми он управляет. Далее происходит включение необходимых элементов, и антенна работает в резонансе с максимальной эффективностью.
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 и устройства подключения используется диэлектрическая труба на которой размещается объемный проводящий вибратор 1 в виде цилиндра. Он может быть выполнен из фольги, приклеенной к каркасу.
1
2
N
На каркасе размещены первичная 2 и вторичная 3 обмотки трансформатора. Внутри каркаса вставлены на его стенку дискретные емкостные элементы в виде полосок фольги, которые располагаются напротив витков вторичной обмотки трансформатора и образуют совместно с этими витками емкости C, C…C.
1
2
N
Ниже первичной катушки трансформатора расположены антенный вход 5, образуемый точками подключения А и В, и плата устройства управления антенной, содержащая блок реле 6, которые подключают дискретные емкости C, C…C в цепь трансформатора.
1
2
N
На фиг. 2 изображена электрическая схема антенны в случае использования в качестве дискретных реактивных элементов электродов, расположенных возле вторичной обмотки трансформатора и образующих с ней емкости C, C…C. Набор этих емкостей образует реактивную систему 4.
На фиг. 3 изображена электрическая схема варианта системы реактивных элементов 4 из L и С компонентов, подключаемых с помощью блока реле 6 в разрыв индуктивностей трансформатора последовательно с ними, например, между точками В и D.
На фиг. 4 изображена совмещенная электрическая и структурная схема антенны, где в качестве реактивных элементов используются дискретные компоненты L и С.
Антенна состоит из трансформатора с первичной 2 и вторичной 3 катушками индуктивности, между которыми включена система управляемых реле 6 и блок подключаемых с помощью реле дискретных элементов L и С 4. Реле управляются и переключаются процессорным блоком управления 7, питание которого обеспечивается блоком питания и отбора мощности из высокочастотной линии 8. Данные о текущем режиме работы антенны и ее КСВ определяются с помощью датчика тока и напряжения 9, размещенном на высокочастотной линии, питающей антенну. Получив данные от датчика тока и напряжения процессор вычисляет смещение рабочей точки антенны относительно текущей частоты и подает команду реле подключить или отключить те или иные дискретные элементы L, С, чтобы изменить настройку антенны. Таким образом, антенна сама следит за соответствием ее резонансной частоты частоте подаваемого сигнала.
На фиг. 5 изображена электрическая схема трансформатора для двухдиапазонной антенны. Первичная катушка 2 состоит из двух последовательных индуктивностей 2.1 и 2.2, а вторичная катушка 3 состоит из двух последовательных индуктивностей 3.1 и 3.2. Обмотки 2.2 и 3.2 могут отключаться или подключаться с помощью реле. В случае их включения антенна работает в нижнем диапазоне радиосигналов, а в случае отключения в более высокочастотном диапазоне. Точная настройка частоты достигается с помощью системы подключаемых реактивных элементов.
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. Подключение с помощью реле последовательно индуктивностям трансформатора дискретных дополнительных индуктивностей и конденсаторов, либо гальваническое подключение к трансформатору емкостных элементов, шунтирующих вторичную обмотку трансформатора, вызовет 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.