МАЛОГАБАРИТНАЯ ПЕРЕСТРАИВАЕМАЯ АНТЕННА
SMALL-SIZE TUNABLE ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано при создании малогабаритных широко перестраиваемых антенных устройств для аппаратуры связи и передачи данных в СВ, KB диапазонах частот.
Установка полноразмерных антенн вызывает затруднения ввиду больших физических размеров, что особенно проблематично в диапазоне средних волн (300 кГц - 3 МГц). Типовые решения для конструкций антенн в СВ, KB диапазонах частот - использование антенн-мачт, которые характеризуются широкополосностью, и укороченных антенн, с укорочением в три и более раз, которые отличаются малой эффективностью.
Известны укороченные антенны, называемые емкостными (Айзенберг Г.З. и др. Антенны УКВ. Часть 1. М.: Связь, 1977, стр. 82). Проблемами емкостных антенн являются обеспечение широкой перестройки антенны по частоте, обеспечение заданной полосы пропускания антенны и ее сохранение при перестройке по диапазону, обеспечение точной и оперативной подстройки антенны при ее мобильном использовании. На краях полосы пропускания передаточная характеристика антенны, ввиду своей узкополосности, вносит существенные фазовые искажения в передаваемый (или принимаемый, в силу принципа обратимости) сигнал. Это вносит ограничения по использованию современных эффективных цифровых видов модуляции семейства САМ, QPSK и других. Проблема ярко выражена в диапазоне средних волн и низкочастотной части коротковолнового диапазона. Часто емкостные антенны выполняют настроенными на фиксированные частоты без перестройки по частоте.
Известна емкостная антенна (Антенна малогабаритная емкостная с согласующей катушкой индуктивности, RU №2470424, H01Q 9/04, 20.12.2012) для организации радиосвязи и передачи данных в диапазонах средних, коротких и ультракоротких радиоволн. Антенна содержит емкостной элемент в виде двух соосно расположенных цилиндрических токопроводящих поверхностей, катушки индуктивности, согласующей катушки.
Недостатком такой антенны является невозможность перестраивать резонансную частоту колебательного (антенного) контура, состоящего из катушки индуктивности и емкости соосно расположенных цилиндрических токопроводящих поверхностей в широких пределах и, как следствие, осуществить перестройку антенны в широких пределах.
Наиболее близким аналогом является «Coaxial inductor and dipole EH antenna» (Патент США № US 6956535 B2 от 18.10.2005). Антенна содержит первый и второй соосно расположенные токопроводящие цилиндры и катушку индуктивности, соединенные таким образом, что в совокупности они образуют раскрытый колебательный контур, настроенный на частоту излучаемого или принимаемого сигнала.
Недостатком такой антенны является малая эффективность антенны при широкой перестройке по частоте вследствие увеличения активных потерь в самой катушке индуктивности антенного контура и из-за потерь, вызванных скользящими контактами по виткам катушки.
Техническим результатом изобретения является увеличение перестройки с сохранением эффективности антенны при широкой перестройке по частоте, а также повышение оперативности и точности настройки антенны на резонансную частоту.
Указанный технический результат достигается тем, что в малогабаритную перестраиваемую антенну, содержащую первый и второй соосно расположенные токопроводящие цилиндры и катушку индуктивности, соединенные таким образом, что в совокупности они образуют колебательный контур, настроенный на частоту излучаемого или принимаемого сигнала, причем первый вывод катушки индуктивности подключен к первому цилиндру, второй вывод катушки индуктивности подключен к центральному проводнику фидерной линии, питающей антенну, а к оплетке фидерной линии подключен второй цилиндр, расположенный между первым цилиндром и катушкой индуктивности, согласно заявляемому изобретению, введены N коммутаторов и N дополнительных цилиндров, соосно расположенных с первым и вторым токопроводящими цилиндрами, причем каждый из N дополнительных цилиндров через отдельный коммутатор из N коммутаторов установлен с возможностью электрического соединения со вторым цилиндром, тем самым увеличивая длину второго цилиндра и изменяя частоту настройки колебательного контура антенны.
На чертежах изображено:
фиг. 1 - конструкция малогабаритной перестраиваемой антенны;
фиг. 2 - эквивалентная электрическая схема второго и N дополнительных цилиндров в составе конструкции малогабаритной перестраиваемой антенны.
Конструкция малогабаритной перестраиваемой антенны содержит первый 1, второй 2 и N дополнительных соосно расположенных токопроводящих цилиндров 3, катушку индуктивности 4 и N коммутаторов 5, соединенных таким образом, что в совокупности они образуют колебательный (антенный) контур, настроенный на частоту излучаемого или принимаемого сигнала, причем первый вывод катушки индуктивности 4 подключен к первому цилиндру 1, второй вывод катушки индуктивности 4 подключен к центральному проводнику 6 фидерной линии 7, питающей антенну, а к оплетке 8 фидерной линии 7 подключен второй цилиндр 2, расположенный между первым цилиндром 1 и катушкой индуктивности 4, причем каждый из N дополнительных цилиндров 3 через отдельный коммутатор из N коммутаторов 5 установлен с возможностью электрического соединения со вторым цилиндром 2, тем самым увеличивая длину второго цилиндра 2 и изменяя частоту настройки колебательного контура антенны.
В малогабаритной перестраиваемой антенне настройка в резонанс определяется значением индуктивности катушки 4 и величиной конструктивной емкости Cs второго и дополнительных токопроводящих цилиндров (фиг. 2). Конструктивная емкость Cs образована токопроводящими поверхностями второго 2 и дополнительных цилиндров 3, подключаемых к оплетке 8 фидерной линии 7 и проводника, соединяющего первый вывод катушки индуктивности 4 и первый цилиндр 1, при этом расположение проводника совпадает с осью второго и дополнительных цилиндров. Изменение резонансной частоты малогабаритной перестраиваемой антенны основано на изменении конструктивной емкости. Так как значение конструктивной емкости прямо пропорционально длине цилиндра, а согласно формуле Томсона, частота колебаний в антенном контуре обратно пропорциональна корню квадратному из произведения индуктивности и емкости контура, то при изменении длины второго цилиндра 2 путем введения дополнительных N цилиндров 3, конструктивная емкость Cs, входящая в состав емкости антенного контура, будет изменяться.
Дополнительный положительный эффект увеличения длины второго цилиндра заключается в повышении эффективности антенны, поскольку второй цилиндр, являясь подключенным к общему проводу (к оплетке фидерной линии), выполняет роль более эффективного противовеса для излучающего элемента - цилиндра 1 (фиг. 1). Также повышение эффективности антенны при перестройке по частоте обусловлено минимальными активными потерями в катушке индуктивности, поскольку при резонансе потери в антенне определяются активным сопротивлением потерь катушки индуктивности.
Количество дополнительных цилиндров и их размер (длина) определяется требуемым диапазоном перестройки и точностью настройки колебательного (антенного) контура в резонанс. Коммутирование дополнительных цилиндров может быть выполнено ручным или автоматическим способом, например, с помощью реле.
Малогабаритная перестраиваемая антенна может быть использована как в стационарном, так и в мобильном варианте с установкой на судах, автомобильном и железнодорожном транспорте. Многообразие мест установки обусловлено возможностью оперативной настройки или подстройки антенны в резонанс при изменении расположенных около антенны предметов.
Эффективность антенны и оперативной настройки малогабаритной перестраиваемой антенны подтверждена при проведении натурных испытаний при установке антенны на задний бампер автомобиля и крыше здания.