ЭКРАНИРОВАННАЯ РАМОЧНАЯ АНТЕННА
SUPPRESSOR FRAME ANTENNA

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к антенной технике, и может найти применение в системах радиомониторинга, в системах контроля электромагнитной обстановки, в задачах ЭМС, в системах пеленга, в системах связи, для регистрации и измерения синусоидальных, шумовых и импульсных магнитных полей в условиях больших электрических помех.
Известна экранированная магнитная рамочная антенна (патент Российской Федерации №2054764, МКИ H01Q 7/00, опубл. 20.02.1996), выполненная из двух отрезков коаксиального кабеля, каждый из которых образует по крайней мере один виток, причем витки первого и второго отрезков коаксиального кабеля имеют противоположное направление намотки. На первых концах каждого отрезка коаксиального кабеля, между центральным и внешним проводниками которого включена нагрузка, а на вторых концах центральный и внешний проводник первого отрезка коаксиального кабеля соединены соответственно с внешним и центральным проводниками второго отрезка коаксиального кабеля.
Недостатком данного технического решения является работа в узкой полосе частот, возможность работы только с устройствами, имеющими дифференциальный вход.
Наиболее близким техническим решением - прототипом является экранированная магнитная рамочная антенна (авторское свидетельство СССР №1040558, МКИ H01Q 7/00, опубл. 07.09.83), содержащая экранированную многовитковую рамку, экран которой выполнен в виде трубы с поперечным кольцевым разрезом, и конденсатор настройки, включенный в разрез трубы экрана, причем каждый отдельный виток рамки размещен в отдельном витке экрана, а все витки экрана соединены последовательно и расположены симметрично относительно поперечного кольцевого разреза трубы экрана, при этом нагрузка включена между началом первого витка рамки и концом последнего витка рамки, образуя тем самым дифференциальный выход.
Недостатком данного технического решения является невозможность интегральной оценки напряженности магнитного поля в области расположения антенны одновременно по двум и/или трем пространственным координатам, работа в узкой полосе частот, работа с внешними устройствами, имеющими дифференциальный (симметричный) вход или выход.
Технической задачей данного изобретения является возможность измерения напряженности магнитного поля по двум и/или трем пространственным координатам в области расположения антенны, работа в широкой полосе частот с низким уровнем неравномерности амплитудно-частотной, возможность работа антенны с внешними устройствами с несимметричным входом или выходом.
Основная техническая задача достигается тем, что в экранированную магнитную рамочную антенну, содержащую рамку, в которой виток рамки размещен в отдельном витке экрана, выполненном в виде трубы с поперечным разрезом кольцевой формы, причем поперечный кольцевой разрез трубы экрана рамки выполнен симметрично относительно начала и конца витка рамки, согласно предложенному решению введена вторая рамка, идентичная рамке, причем рамка и вторая рамка расположены на двух взаимно перпендикулярных координатных поверхностях соответственно, при этом координатная линия, выходящая из центра рамки и проходящая через поперечный разрез в трубе экрана рамки и координатная линия, выходящая из центра второй рамки и проходящая через разрез в трубе экрана второй рамки, расположены в пространстве взаимно перпендикулярно, причем труба экрана рамки и труба экрана второй рамки не имеют гальванического контакта между собой.
Целесообразно ввести третью рамку, идентичную рамке, причем третья рамка расположена на третьей координатной поверхности, перпендикулярной двум другим координатным поверхностям, при этом координатная линия, выходящая из центра третьей рамки и проходящая через поперечный разрез в трубе экрана третьей рамки, расположена в пространстве взаимно перпендикулярно координатной линии рамки и координатной линии второй рамки, причем труба экрана третьей рамки не имеет гальванического контакта с трубой экрана рамки и трубой экрана второй рамки.
Кроме того, целесообразно на конце витка трубы экрана каждой рамки установить контактный элемент, который обеспечивает гальваническое соединение с одной стороны с концом витка рамки, а с другой стороны с началом витка трубы экрана рамки, при этом электрическая длина одной части витка экрана рамки на отрезке от края гальванического соединения контактного элемента с концом витка трубы экрана и концом витка рамки до одной боковой кромки поперечного кольцевого разреза трубы экрана равна электрической длине другой части витка экрана рамки на отрезке от края гальванического соединения контактного элемента с началом витка трубы экрана до другой боковой кромки поперечного кольцевого разреза трубы экрана.
Каждая рамка может быть выполнена многовитковой, причем каждый отдельный виток рамки размещен в отдельном витке экрана, а все витки экрана соединены последовательно и расположены симметрично относительно поперечного разреза в трубе экрана.
Рамка и вторая рамка могут быть выполнены взаимно пересекающимися.
Рамка и третья рамка могут быть выполнены взаимно пересекающимися.
Вторая рамка и третья рамка выполнены взаимно пересекающимися.
Третья рамка выполнена взаимно пересекающейся с рамкой и второй рамкой.
Целесообразно параллельно соединить между собой начало витка рамки с началом витка второй рамки и конец витка рамки с концом витка второй рамки и подключить к общему отрезку линии передачи, являющемуся выходом экранированной магнитной рамочной антенны.
Общий отрезок линии передачи может быть подключен к входу блока согласующего преобразователя импедансов, выход которого является выходом экранированной магнитной рамочной антенны.
Начало и конец витка рамки, начало и конец витка второй рамки могут быть подключены к первому и второму входам блока активного преобразователя импедансов соответственно, выход которого является выходом экранированной магнитной рамочной антенны.
Начало и конец витка рамки и начало и конец витка второй рамки могут быть подключены к входам первого и второго блоков активного преобразователя импедансов соответственно, выходы которых подключены к первому и второму входам блока сумматора соответственно, выход которого является выходом экранированной магнитной рамочной антенны.
Начало и конец витка рамки, начало и конец витка второй рамки могут быть подключены к входам первого и второго блоков активного преобразователя импедансов соответственно, которые последовательно соединены с входами первого и второго блоков аналого-цифрового преобразователя соответственно, выходы которых подключены к первому и второму входам блока сумматора соответственно, выход которого является выходом экранированной магнитной рамочной антенны.
Начало и конец витка рамки и начало и конец витка второй рамки могут быть подключены к первому и второму входам блока комбинационного переключателя соответственно, выход которого является выходом экранированной рамочной антенны.
Кроме того, целесообразно параллельно соединить между собой начало витка рамки с началом витка второй рамки и с началом витка третьей рамки и конец витка рамки с концом витка второй рамки и с концом витка третьей рамки и подключить к общему отрезку линии передачи, являющемуся выходом экранированной магнитной рамочной антенны.
Общий отрезок линии передачи может быть подключен к входу блока согласующего преобразователя импедансов, выход которого является выходом экранированной магнитной рамочной антенны.
Начало и конец витка рамки, начало и конец витка второй рамки и начало и конец витка третьей рамки могут быть подключены к входам первого, второго и третьего блоков активного преобразователя импедансов соответственно, выходы которых подключены к входам блока сумматора соответственно, выход которого является выходом экранированной магнитной рамочной антенны.
Начало и конец витка рамки, начало и конец витка второй рамки, начало и конец витка третьей рамки могут быть подключены к входам первого, второго и третьего блоков активного преобразователя импедансов соответственно, каждый из которых последовательно соединенен с первым, вторым и третьим блоками аналого-цифрового преобразователя соответственно, выходы которых подключены к первому, второму и третьему входам блока сумматора соответственно, выход которого является выходом экранированной магнитной рамочной антенны.
Начало и конец витка рамки, начало и конец витка второй рамки и начало и конец третьей рамки могут быть подключены к первому, второму и третьему входам блока комбинационного переключателя соответственно, выход которого является выходом экранированной магнитной рамочной антенны.
Также целесообразно параллельно соединить между собой начало витка рамки с началом витка второй рамки и начало витка трубы экрана рамки с началом витка трубы экрана второй рамки и подключить к общему отрезку линии передачи, являющемуся выходом экранированной магнитной рамочной антенны.
Общий отрезок линии передачи может быть подключен к входу блока согласующего преобразователя импедансов, выход которого является выходом экранированной магнитной рамочной антенны.
Начало витка и начало витка трубы экрана рамки, начало витка и начало витка трубы экрана второй рамки могут быть подключены к первому и второму входам блока активного преобразователя импедансов соответственно, выход которого является выходом экранированной магнитной рамочной антенны.
Начало витка и начало витка трубы экрана рамки, начало витка и начало витка трубы экрана второй рамки могут быть подключены к входам первого и второго блоков активного преобразователя импедансов соответственно, выходы которых подключены к первому и второму входам блока сумматора соответственно, выход которого является выходом экранированной магнитной рамочной антенны.
Начало витка и начало витка трубы экрана рамки, начало витка и началом витка трубы экрана второй рамки могут быть подключены к входам первого и второго блоков активного преобразователя импедансов соответственно, которые последовательно соединены с первым и вторым блоками аналого-цифрового преобразователя соответственно, выходы которых подключены к первому и второму входам блока сумматора соответственно, выход которого является выходом экранированной магнитной рамочной антенны.
Начало витка и начало витка трубы экрана рамки, начало витка и начало витка трубы экрана второй рамки могут быть подключены к первому и второму входам блока комбинационного переключателя соответственно, выход которого является выходом экранированной магнитной рамочной антенны.
Кроме того, целесообразно параллельно соединить между собой начало витка рамки с началом витка второй рамки и с началом витка третьей рамки и начало витка трубы экрана рамки с началом витка трубы экрана второй рамки и с началом витка трубы экрана третьей рамки и подключить к общему отрезку линии передачи, являющемуся выходной линией передачи экранированной магнитной рамочной антенны.
Общий отрезок линии передачи может быть подключен к входу блока согласующего преобразователя импедансов, выход которого является выходом экранированной магнитной рамочной антенны.
Начало витка и начало витка трубы экрана рамки, начало витка и начало витка трубы экрана второй рамки, начало витка и начало витка трубы экрана третьей рамки могут быть подключены к первому, второму и третьему входам блока активного преобразователя импедансов соответственно, выход которого является выходом экранированной магнитной рамочной антенны.
Начало витка и начало витка трубы экрана рамки, начало витка и начало витка трубы экрана второй рамки, начало витка и начало витка трубы экрана третьей рамки могут быть подключены к входам первого, второго и третьего блоков активного преобразователя импедансов соответственно, выходы которых подключены к первому, второму и третьему входам блока сумматора соответственно, выход которого является выходом экранированной магнитной рамочной антенны.
Начало витка и начало витка трубы экрана рамки, начало витка и начало витка трубы экрана второй рамки, начало витка и начало витка трубы экрана третьей рамки могут быть подключены к входам первого, второго и третьего блоков активного преобразователя импедансов, которые последовательно соединены с первым, вторым и третьим блоками аналого-цифрового преобразователя соответственно, выходы которых подключены к первому, второму и третьему входам блока сумматора соответственно, выход которого является выходом экранированной магнитной рамочной антенны.
Начало витка и начало витка трубы экрана рамки, начало витка и начало витка трубы экрана второй рамки, начало витка и начало витка трубы экрана третьей рамки могут быть подключены к первому, второму и третьему входам блока комбинационного переключателя соответственно, выход которого является выходом экранированной магнитной рамочной антенны.
Кроме того, целесообразно каждую рамку выполнять в форме круга, или форме трапеции, или треугольника, или ромба.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 и фиг.2 представлена конструкция экранированной магнитной рамочной антенны из двух и трех идентичных одновитковых непересекающихся рамок, на фиг.3 и фиг.4 - конструкция антенны из двух и трех идентичных одновитковых пересекающихся рамок, на фиг.5 - пример конструкции антенны из двух трехвитковых непересекающихся рамок, на фиг.6 - конструкция экранированной магнитной рамочной антенны с контактным элементом, на фиг.7 - пример выполнения и установки контактного элемента, на фиг.8-10 - примеры вариантов соединения и подключения экранированных магнитных рамочных антенн с симметричным выходом, на фиг.11-20 - примеры подключения экранированных магнитных рамочных антенн с установленными на них контактными элементами, на фиг.21 - примеры выполнения различных форм рамок, на фиг.22 схематически показано расположение координатных линий, определяющих положение поперечных разрезов труб экранов рамок.
Экранированная магнитная рамочная антенна (фиг.1) содержит идентичные рамку 1 и вторую рамку 2. В каждой рамке виток 3 размещен в отдельном витке экрана 4, выполненном в виде трубы с поперечным разрезом 5 кольцевой формы. Поперечный разрез выполнен симметрично относительно начала 6 и конца 7 витка 3. Рамка 1 и вторая рамка 2 расположены на двух взаимно перпендикулярных координатных поверхностях соответственно, при этом координатная линия, выходящая из центра рамки 1 и проходящая через поперечный разрез 5 в трубе экрана 4 рамки 1 и координатная линия, выходящая из центра второй рамки 2 и проходящая через поперечный разрез 5 в трубе экрана 4 второй рамки 2, расположены в пространстве взаимно перпендикулярно. Трубы экрана 4 рамки 1 и второй рамки 2 не имеют гальванического контакта между собой.
Экранированная магнитная рамочная антенна (фиг.2) выполнена с идентичной рамкам третьей рамкой 8, расположенной на третьей координатной поверхности, перпендикулярной двум другим координатным поверхностям, при этом координатная линия, выходящая из центра третьей рамки 8 и проходящая через поперечный разрез 5 в трубе экрана 4 третьей рамки, расположена в пространстве взаимно перпендикулярно координатной линии рамки 1 и координатной линии второй рамки 2. Труба экрана 4 третьей рамки 8 не имеет гальванического контакта с трубой экрана рамки 1 и второй рамки 2.
Экранированная магнитная рамочная антенна (фиг.3) выполнена с взаимно пересекающимися рамкой 1 и второй рамкой 2.
Экранированная магнитная рамочная антенна (фиг.4) выполнена с взаимно пересекающимися рамкой 1, второй рамкой 2 и третьей рамкой 8.
Экранированная магнитная рамочная антенна (фиг.5) выполнена с трехвитковой рамкой 1 и трехвитковой второй рамкой 2.
Контактный элемент 9 (фиг.6) установлен на конец 7 витка 3 трубы экрана 4 рамки. Он обеспечивает гальваническое соединение с началом витка 10 трубы экрана 3. На фиг.7 показана установка контактного элемента 9 на конце витка 7 каждой рамки и его соединение с концом и началом витка экрана 4. Контактный элемент 9 может быть выполнен в виде металлической заглушки. Для более точного выравнивания электрических длин контактный элемент может быть выполнен с механической регулировкой по длине, например с контактом в виде цанги.
Примеры вариантов соединения и подключения экранированных магнитных рамочных антенн с симметричным выходом.
На фиг.8 параллельно соединены между собой начало витка 6 рамки 1 с началом витка 6 второй рамки 2, конец витка рамки 1 с концом витка 7 второй рамки 2 к общему отрезку 13 линии передачи, являющемуся выходом экранированной магнитной рамочной антенны.
На фиг.9 общий отрезок 13 линии передачи подключен к входу блока согласующего преобразователя импедансов 14, выход которого является выходом экранированной магнитной рамочной антенны.
На фиг.10 параллельно соединены между собой начало витка 6 рамки 1 с началом витка 6 второй рамки 2 и с началом витка 6 третьей рамки 8 и конец витка 7 рамки 2 с концом витка 7 второй рамки 2 и с концом витка 7 третьей рамки 8. Общие точки соединения соединены с общим отрезком 13 линии передачи, который подключен к блоку согласующего преобразователя импедансов 14.
Далее представлены примеры соединения и подключения двух и трех экранированных магнитных рамочных антенн с установленными на них контактными элементами.
На фиг.11 параллельно соединены между собой начало витка 6 рамки 1 с началом витка 6 второй рамки 2, начало витка трубы экрана 10 рамки 1 с началом витка трубы экрана 10 второй рамки 2 и подключены к общему отрезку линии передачи 13.
На фиг.12 общий отрезок линии передачи 13 подключен к входу блока согласующего преобразователя импедансов 14.
На фиг.13 начало витка 6 и начало витка трубы экрана 10 рамок 1 и 2 подключены к первому и второму входам блока активного преобразователя импедансов 15 соответственно, выход которого является выходом экранированной магнитной рамочной антенны.
На фиг.14 параллельно соединены между собой начало витка 6 рамки 1 с началом витка 6 второй рамки 2 и с началом витка 6 третьей рамки, начало витка трубы экрана 10 рамки 1 с началом витка трубы экрана 10 второй рамки 2 и с началом витка трубы экрана 10 третьей рамки 8 и подключены к общему отрезку линии передачи 13.
На фиг.15 общий отрезок линии передачи 13 подключен к входу блока согласующего преобразователя импедансов 14.
На фиг.16 начало витка 6 и начало витка трубы экрана 10 рамки 1, начало витка 6 и начало витка трубы экрана 10 второй рамки 2, начало витка 6 и начало витка трубы экрана 10 третьей рамки 8 подключены к первому, второму и третьему входам активного преобразователя импедансов 15.
На фиг.17 начало витка 6 и начало витка трубы экрана 10 рамки 1, начало витка 6 и начало витка трубы экрана 10 второй рамки 2 подключены к входам первого и второго блоков активного преобразователя импедансов 15 соответственно, выходы которых подключены к входам блока сумматоров 16, выход которого является выходом экранированной магнитной рамочной антенны.
На фиг.18 первый и второй блок активного преобазователя импедансов 15 последовательно соединены с первым и вторым блоками аналого-цифрового преобразователя 17, выходы которых соединены с входами блока сумматора 16 соответственно.
На фиг.19 начало витка 6 и начало витка трубы экрана 10 рамки 1, начало витка 6 и начало витка трубы экрана 10 второй рамки 2, начало витка 6 и начало витка трубы экрана 10 третьей рамки 8 подключены к первому, второму и третьему входам активного преобразователя импедансов 15 соответственно, выходы которых подключены к входам блока сумматоров 16.
На фиг.20 первый, второй и третий блок активного преобразователя импедансов 15 последовательно соединены с первым, вторым и третьим блоками аналого-цифрового преобразователя 17 соответственно, выходы которых соединены с входами блока сумматора 16.
Экранированная магнитная рамочная антенна работает следующим образом.
Падающая электромагнитная волна на рамке 1 (фиг.1) наводит на наружной поверхности экрана 4 рамки 1 и витка трубы экрана 4 второй рамки 2 ЭДС. В результате этого на поперечном разрезе 5 рамки 1 и второй рамки 2 возникает разность потенциалов, под действием которой на внутренней поверхности витков экрана 4 рамки 1 и второй рамки 2 возникает ток. Внутренняя поверхность экрана 4 и витков рамки 1, экрана 4 и витков второй рамки 2 представляет собой коаксиальную линию, поэтому в витке рамки 1 и витке второй рамки 2 возникает ток, создающий напряжение между началом 6 и концом 7 витка 3 рамки 2 и между началом 6 и концом 7 витка 3 второй рамки 2, который является принятым сигналом экранированной магнитной рамочной антенны.
Экранированная магнитная рамочная антенна имеет диаграмму направленности в виде «восьмерки», и чем точнее электрическая симметрия выполнения рамок, тем более ярко выражена «восьмерка» и глубже нули (Григоров И.Н. Практические конструкции антенн. - М.: ДМК, 2000, - 352 с.: ил.).
Ориентация поперечного разреза 5 трубы экрана рамки 1 и ориентация поперечного разреза 5 второй рамки 2 в пространстве - взаимно ортогонально друг относительно друга обеспечивает пространственный, двумя рамками, двухкоординатный, т.е. по двум координатам декартовой системы координат, прием сигнала. Величина наведенной ЭДС в каждой рамке определяется направлением источника излучения и его диаграммой направленности относительно антенны.
Третья рамка 8, идентичная рамке 1 и второй рамке 2, аналогично возбуждается падающей электромагнитной волной, а величина наведенной ЭДС зависит от тех же параметров.
Ориентация поперечного разреза 5 трубы экрана третьей рамки 8 в пространстве по отношению к поперечному разрезу 5 трубы экрана рамки 1 и второй рамки 2 - взаимно ортогональна друг относительно друга - обеспечивает пространственный тремя рамками трехкоординатный прием сигнала, т.е. по трем координатам декартовой системы координат. При этом рамки могут располагаться, пересекаясь без гальванического контакта труб экранов рамок (фиг.3, 4).
Выполнение рамок с несколькими витками, например трехвитковыми (фиг.5), позволяет увеличить коэффициент усиления антенны по отношению к одновитковой рамке. Оптимальным для рамок является нечетное количество витков.
Размещение рамок взаимно пересекающимися без гальванического контакта труб экранов обеспечивает точный пространственный двух- или трехкоординатный прием в области расположения антенн.
Введение контактного элемента 9, гальваническое соединение и обеспечение равенства электрической длины позволяет рассматривать кольцевой поперечный разрез 5 нагруженным - с одной стороны отрезком витка трубы экрана 4 рамки и витка рамки короткозамкнутым на конце, а с другой стороны - отрезком витка трубы экрана рамки и витка рамки разомкнутым на конце. Короткозамкнутый и разомкнутый отрезки одинаковой электрической длины имеют комплексные сопротивления, у которых активные составляющие равны, а реактивные составляющие имеют разные знаки, но равные по модулю величины, т.е. когда одна из них имеет индуктивный характер, то другая емкостной характер, и наоборот. Причем частотная зависимость у обоих реактивных составляющих комплексных сопротивлений имеет одинаковый характер. Таким образом, в разрезе трубы экрана рамки происходит компенсация реактивных составляющих и в результате этого происходит расширение рабочего диапазона частот и выравнивание амплитудно-частотной характеристики. Начало 6 витка 3 рамки и начало 10 витка трубы экрана 4 каждой рамки образуют несимметричный отрезок линии передачи, т.е. коаксиальную линию.
Вид соединения рамок между собой и варианты подключения рамок к активному или пассивному преобразователю импедансов определяется диапазон рабочих частот, параметрами трактата и приемных устройств. В зависимости от диапазона частот и выбранных геометрических размеров рамок, и как следствие входного сопротивления рамки, которое может равняться долям Ома, выбирается та или иная схема преобразователя импедансов.
Параллельное соединение рамочных антенн с последующим подключением на одну общую линию передачи 13 позволяет определять интегральную оценку сигнала или напряженности магнитного поля в области расположения антенны одновременно по двум или трем пространственным координатам.
Подключение общей линии передачи 13 к блоку согласующего преобразователя импедансов 14 позволяет обеспечить согласование рамочной антенны с измерительной аппаратурой. Блок согласующего преобразователя импедансов 14 может быть выполнен как в пассивном, так и в активном исполнении, например (Вай Кайчэнь. Теория и проектирование широкополосных согласующих цепей: Пер. с англ. / Под ред. Ю.Л.Хотунцева. - М.: Связь, 1979 - 288 с.).
Использование блока активного преобразователя импедансов 15 позволяет существенно расширить частотный диапазон согласования, повысить чувствительность антенны и более точно определять интегральный (двухкоординатный или трехкоординатный) уровень принимаемого сигнала (напряженность магнитного поля) при высоком уровне электрических помех, например (Микроэлектронные устройства СВЧ/ Н.Т.Бова, Ю.Г.Ефремов, В.В.Конин и др. Киев: Техника, 1984, - 184 с.).
Использование блока сумматора 16 позволяет суммировать принятые сигналы антеннами по различным координатами и получать интегральную оценку в области расположения антенны, а также увеличить соотношение сигнал/шум и упростить дальнейшую обработку сигнала.
Использование блоков аналого-цифрового преобразователя 17 позволяет обрабатывать принимаемый сигнал в цифровом виде и тем самым обнаруживать сигнал при высоком уровне магнитных и электрических помех и соответственно повысить чувствительность антенны.
Использование комбинационного, например электронного или электромеханического, переключателя (Гвоздев В.И., Нефедов Е.И. Объемные интегральные схемы СВЧ. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985, - 256 с., ил.) позволяет коммутировать рамочные антенны на единую линию передачи и тем самым изменять пространственную ориентацию диаграммы направленности антенны поочередно или одновременно, что обеспечивает возможность определения направления прихода сигнала (пеленг) по одной, по двум или по трем координатам или определять уровень принимаемого сигнала (напряженность магнитного поля) в области расположения антенны.
Форма рамки определяет собственную индуктивность, которая, в свою очередь, определяет собственные резонансные свойства экранированной магнитной рамочной антенны, диапазон частот, широкополосность, уровень согласования.