ПЛОСКАЯ ИНДУКЦИОННАЯ АНТЕННА

Полезная модель относится к области систем с индуктивной связью и может быть использована в качестве передающей антенны в индуктивных системах локальной беспроводной связи и управления, приемопередающей антенны в носимых или мобильных комплексах систем радиочастотной идентификации с индуктивным взаимодействием, в частности, в малогабаритной аппаратуре индуктивных систем противодействия несанкционированному доступу к информации.
Известны индукционные антенны базовых станций пассивных систем радиочастотной идентификации с индуктивным взаимодействием - RFID систем, в которых для передачи данных на частоте f=13,56 МГц используются приемо-передающие радиоустройства - ридеры, в которых антенная цепь выполнена в виде одновитковой или многовитковой катушки индуктивности [1]. В ридерах современных стационарных систем RFID дальнего действия используются индуктивные рамки с размерами 500×1400 мм [1, р.26]. Они обеспечивают надежную индуктивную связь с радиочастотной меткой, имеющей размеры 50,8×88,9 мм и добротность Q≥40, и считывание данных метки на расстоянии R, не превышающем максимального размера рамки ридера, т.е. примерно R=0,9-1,1 м при мощности передатчика ридера 800 мВт [2]. Однако, габариты известных рамочных антенн (500×1400 мм) ридеров базовых станций радиочастотной идентификации не позволяют их использовать в антенных цепях малогабаритной носимой или мобильной аппаратуры систем радиочастотной идентификации с индуктивным взаимодействием и в компактной аппаратуре индуктивных систем противодействия несанкционированному доступу к информации.
Среди известных решений наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному устройству является плоская индукционная антенна по патенту Российской Федерации №2470423 C1 МПК H01C 9/00, опубликованному 20.12.2012, Бюл. №35. Она содержит индуктивность в виде многовитковой арифметической спирали, витки которой выполнены из ленточного проводника, расположенного на диэлектрическом основании, при этом ширина зазоров между витками спирали выбрана одинаковой и равной ширине ленточного проводника спирали, в середине спирального проводника на расстоянии λ/8 от его начала, где λ - рабочая длина волны в спирали, выполнен разрыв проводника с образованием зазора, расположенного поперек и симметрично относительно продольной оси спирали и предназначенного для возбуждения источником высокочастотных колебаний синфазных токов в проводниках спирали, образующий двухзаходную арифметическую спираль, проводники которой изогнуты в противоположные от зазора стороны, причем ширина зазоров S между витками спирали и ширина W ленточного проводника спирали выбраны равными S=W=0,00042λ, конденсаторы переменной емкости и подводящую линию, предназначенную для подсоединения источника высокочастотных колебаний к индуктивности.
В индукционной антенне по патенту RU 2470423 C1 за счет выполнения индуктивности в виде многовитковой арифметической спирали, витки которой выполнены из ленточного проводника длиной λ/4, расположенного на диэлектрическом основании, путем разрыва проводника на расстоянии λ/8 от его начала с образованием зазора Δ и двух заходов спирали с противоположными от зазора направлениями намотки витков, имеющих одинаковую длину (λ/8) ленточных проводников, выбора значений S и W по предложенному соотношению и включения конденсаторов переменной емкости для резонансной настройки антенны в середине ленточного проводника каждой ветви спирали достигается увеличение дальности действия индуктивной системы связи в 1,36 раза по сравнению с традиционной одновитковой рамочной антенной ридера при одинаковом входном токе.
В полезной модели решается задача изыскания конструктивных решений, позволяющих расширить зону действия индуктивной связи за счет повышения эффективности передающей индукционной антенны, а также повысить технологичность конструкции антенны.
Технический результат, который может быть получен при использовании предлагаемой полезной модели, заключается в увеличении дальности действия индуктивной системы связи.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известной плоской индукционной антенне, содержащей индуктивность в виде многовитковой арифметической спирали, витки которой выполнены из ленточного проводника, расположенного на диэлектрическом основании, при этом ширина зазоров между витками спирали выбрана одинаковой и равной ширине ленточного проводника спирали, в середине спирального проводника на расстоянии λ/8 от его начала, где λ - рабочая длина волны в спирали, выполнен разрыв проводника с образованием зазора, расположенного поперек и симметрично относительно продольной оси спирали и предназначенного для возбуждения источником высокочастотных колебаний синфазных токов в проводниках спирали, образующий двухзаходную арифметическую спираль, проводники которой изогнуты в противоположные от зазора стороны, причем ширина зазоров S между витками спирали и ширина W ленточного проводника спирали выбраны равными S=W=0,00042λ, конденсаторы переменной емкости и подводящую линию, предназначенную для подсоединения источника высокочастотных колебаний к индуктивности, согласно полезной модели конденсаторы переменной емкости подключены после зазора к началам ленточных проводников ветвей спирали, а величина зазора выбрана равной W≤Δ≤1,25W.
Возможен дополнительный вариант выполнения плоской индукционной антенны, в которой целесообразно, чтобы были введены последовательно соединенные согласующий реактивный четырехполюсник и симметрирующий трансформатор, расположенные на едином со спиралью диэлектрическом основании и подключенные к подводящей линии.
На фиг.1 изображен общий вид предлагаемой плоской индукционной антенны, на фиг.2 представлена схема согласующего и симметрирующего устройства антенны, на фиг.3 представлено конструктивное выполнение антенны, на фиг.4 показано протекание токов по проводникам антенны и линии напряженности магнитного поля вокруг проводников антенны с током.
o
r
Предлагаемая плоская индукционная антенна содержит индуктивность в виде двухзаходной арифметической спирали, полученной из многовиткового проводника арифметической спирали длиной λ/4 путем разрыва его на расстоянии λ/8 от его начала (λ - рабочая длина волны в спирали) с образованием зазора Δ и двух заходов 1 (темный) и 2 (светлый) спирали с противоположными от зазора Δ направлениями намотки витков, имеющих одинаковую электрическую длину ленточных проводников. Витки спирали имеют прямоугольную форму с отношением длины A=R6 к ширине B=R7, равным A/B=1,5, и расположены в одной плоскости вокруг общего центра 3. Они выполнены из ленточных проводников 1 и 2, расположенных на диэлектрическом основании 4 толщиной h, при этом ширина зазоров S между витками спирали и ширина W ленточных проводников 1 и 2 выбраны равными S=W=0.00042λ. Рабочая длина волны в спирали определяется формулой , в которой λ - рабочая длина волны в свободном пространстве;  - коэффициент укорочения длины волны на границе раздела «диэлектрическое основание - воздух»; ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала основания 4.
Таким образом, электрическая длина l проводника каждой ветви спирали выбрана равной l=λ/8. В соответствии с обозначениями отрезков проводников каждой ветви спирали на фиг.1 это условие может быть записано в виде .
К зазору Δ с помощью подводящей линии 5 подключен источник высокочастотных колебаний. После зазора к началам ленточных проводников ветвей 1 и 2 спирали подключены конденсаторы переменной емкости 7 и 8. Ленточные проводники 1 и 2 спирали выполнены печатным способом на диэлектрическом основании 4 толщиной h, в качестве которого может быть использован, например, стеклотекстолит фольгированный типа FR-4-0,5.
В конструкцию плоской индукционной антенны дополнительно введены последовательно соединенные согласующий реактивный четырехполюсник 9 и симметрирующий трансформатор 10, расположенные на едином со спиралью диэлектрическом основании 4 и подключенные к подводящей линии 5 (фиг.2, фиг.3).
1
1
2
1
2
Устройство согласования и симметрирования выполнено по схеме, показанной на фиг.2. В этой схеме центральная жила и оплетка подводящего коаксиального фидера (11) подключены к входным зажимам 1, 2 симметрирующего трансформатора T (10), который выполнен на двухпроводной линии передачи, намотанной на ферритовом сердечнике. Выходные зажимы 1', 2' трансформатора (10) соединены с согласующим реактивным четырехполюсником (9), реализованным по схеме симметричной лестничной цепи и состоящим из последовательных индуктивностей L, L и параллельных конденсаторов C, C.
Выход согласующего устройства подключен к подводящей линии (5), через которую осуществляется возбуждение двухзаходной арифметической спирали.
1
1
2
2
r
r
m
вх
вх
-3
Предлагаемая индукционная антенна работает следующим образом. При противофазном возбуждении двухзаходной арифметической спирали со встречной намоткой витков (см. фиг.4, в точке A фаза тока Ф=π, а в точке A фаза тока Ф=0) и симметричном питании от источника высокочастотных колебаний токи I, протекающие в соседних проводниках 1 и 2 ветвей двухзаходной арифметической спирали, находятся в фазе, как показано на фиг.4. Согласно основному закону электромагнетизма - Ампера, Био, Савара и Лапласа взаимодействующие токи, протекающие в прямолинейных и параллельных проводниках 1 и 2 предлагаемой индукционной антенны, создают ближнее электромагнитное поле, которое в сферической системе координат характеризуется составляющими H≠0 и E=0. Таким образом, ближнее поле предлагаемой индукционной антенны является магнитным. Линии напряженности магнитного поля антенны вблизи проводников 1 и 2 показаны на фиг.4. Вектор напряженности  магнитного поля в любой точке M линии напряженности касателен к ней в этой точке. Соосная составляющая вектора напряженности магнитного поля  уменьшается с расстоянием R от центра 3 антенны в первом приближении по закону R. Для создания в спиральных проводниках 1 и 2 антенны максимального тока I, а, следовательно, и напряженности , она настраивается на частоту первого последовательного резонанса с помощью конденсаторов 7 и 8, подключенных к началам ленточных проводников 1 и 2 спирали (фиг.1 и 4). При этом симметрирование токов в проводниках спирали достигается путем установки в ветвях спирали одинаковых значений емкостей конденсаторов 7 и 8 при резонансной настройке антенны, определяемой получением в коаксиальном фидере 11 антенны минимального значения коэффициента стоячей волны на рабочей частоте антенны. Настроенная на частоту первого последовательного резонанса антенна из-за малых электрических размеров проводников (λ/8) имеет небольшое входное сопротивление R≈4 Ом. Для повышения резонансного значения R, облегчающего согласование антенны с коаксиальным фидером, ширина W ленточных проводников 1 и 2 и зазоров S между ними выбрана равной W=S=0.00042λ.
Подключение конденсаторов 7 и 8 непосредственно к началам ленточных проводников 1 и 2 ветвей спирали позволяет при резонансной настройке антенны в соответствии с теорией длинных линий при электрической длине линии l=λ/8 достичь максимально возможного значения распределенного по проводникам 1 и 2 тока при неизменном токе возбуждения подводящей линии 5. Это ведет к росту напряженности создаваемого антенной магнитного поля и, как следствие, увеличению дальности действия индуктивной системы связи. Для увеличения сосной составляющей  напряженности магнитного поля отношение длины A к ширине B каждого витка арифметической спирали выбрано равным A/B=1,5. Это позволяет за счет приближения проводников 1 и 2 к центру 3 спирали при уменьшении B увеличить концентрацию линий напряженности магнитного поля в направлении оси Z (см. фиг.4) и тем самым увеличить  и дальность действия индуктивной системы связи.
Выбор величины зазора W≤Δ≤1.25W продиктован необходимостью повышения технологичности печатной конструкции антенны без ухудшения ее электрических характеристик. При Δ<W зазор не технологичен для печатной конструкции из-за его малости, а при Δ>1,25W ухудшаются электрические характеристики антенны. Технологичность конструкции антенны повышается также за счет расположения согласующего реактивного четырехполюсника и симметрирующего трансформатора на едином со спиралью диэлектрическом основании (фиг.3).
1
1
1
Симметрирующий трансформатор T (10) обеспечивает переход от подводящего коаксиального фидера (11) с волновым сопротивлением 50 Ом к согласующему реактивному четырехполюснику (9), выполненному по симметричной схеме (фиг.2). Трансформатор T представляет собой тороидальный ферритовый сердечник с двумя обмотками. Обмотки соединены таким образом, что образуется двухпроводная линия, по которой распространяется бегущая волна от источника высокочастотных колебаний к антенне. В обмотках токи равны и направлены противоположно, они не создают магнитного поля в ферритовом сердечнике, и поэтому потери в сердечнике - минимальны. Коэффициент трансформации трансформатора Tравен 1. Согласующий реактивный четырехполюсник согласует низкое входное сопротивление антенны со стандартным сопротивлением 50 Ом.
1
2
1
2
Согласующий реактивный четырехполюсник осуществляет также через подводящую линию 5 противофазное возбуждение двухзаходной арифметической спирали. Согласующий реактивный четырехполюсник (9) выполнен в виде симметричной лестничной цепи, где последовательными элементами цепи являются индуктивности L, L, а параллельными - конденсаторы C, C. В такой симметричной лестничной цепи не требуется подключать один из выводов конденсаторов к земле, что упрощает конструкцию. Согласующий реактивный четырехполюсник соединен с антенной через подводящую линию (5).
Таким образом, за счет подключения конденсаторов переменной емкости к началам ленточных проводников ветвей спирали и введение последовательно соединенных согласующего реактивного четырехполюсника и симметрирующего трансформатора с подключением их к подводящей линии обеспечивается повышение соосной составляющей напряженности магнитного поля в зоне индукции антенны. Это, в свою очередь, увеличивает дальность действия индуктивной системы связи. Кроме того, за счет выбора величины зазора равной W≤Δ≤1.25W, размещения согласующего реактивного четырехполюсника и симметрирующего трансформатора на едином со спиралью диэлектрическом основании повышается технологичность печатной конструкции антенны.
Литература
1. Joubok Lee. Antenna circuit design for RFID applications. DS00710C (Microchip AN710).
2. Аллан Голборн. Заметки по разработке высокочастотной антенны, стр.9.