Передающая антенна с обратной связью для системы ближнепольной магнитной передачи информации

Полезная модель относится к технике связи, а более конкретно - к передающим антеннам для систем ближнепольной магнитной связи, и может быть использована при создании, например, подвижных ближнепольных магнитных систем передачи информации с изменяемой геометрией антенны или в случаях, когда характеристики передающей антенны в значительной степени зависят от параметров окружающей среды.
Известна конструкция широкополосной многопетлевой магнитной антенны со слабосвязанными элементами (Патент США №20130072117 А1, «Decoupled multi-loop wideband antennas for magnetic communication», опубликован 2013.03.21). Конструкция магнитной антенны включает две или более частично перекрывающиеся резонансные магнитные антенны, для возбуждения которых используется один или более усилителей мощности. Антенны располагаются вокруг одной общей центральной точки, причем расстояние от общей центральной точки до центров каждой из антенн одинаково и изменяется в целях регулирования взаимоиндукции. Недостатком такой конструкции является ее сложная реализация и нестабильность параметров магнитного поля, создаваемого многопетлевой антенной. Изменение геометрии многопетлевой антенны, например, при использовании ее в подвижных системах связи, неизбежно приведет к изменению параметров связанных магнитных антенн и, как следствие, к изменению параметров формируемого магнитного поля.
Известна также конструкция низкочастотной передающей магнитной антенны (Патент США №20140314129А1, «VLF transmit antenna system, method and apparatus», опубликован 2014.10.23). Конструкция магнитной антенны включает по крайней мере две сильно связанные петлевые магнитные антенны, сигнал для каждой из которых формируется мостовым усилителем мощности с широтно-импульсной модуляцией. Недостатком такой конструкции низкочастотной передающей магнитной антенны является высокая сложность реализации и нестабильность параметров формируемого магнитного поля. В конструкцию включены датчики тока, измеряющие токи в каждой магнитной антенне. Однако итоговый магнитный момент передающей антенны зависит не только от тока и числа витков, но и от геометрии катушек. Таким образом, такая конструкция не предназначена для работы в условиях с изменяемой геометрией передающей антенны.
Известна конструкция магнитной антенны и метод генерирования магнитных полей (Патент США №20090322640А1, «Magnetic antenna apparatus and method generating a magnetic field», опубликован 2009.12.31). Конструкция магнитной антенны включает усилитель мощности, трансформатор на тороидальном сердечнике, рамочную магнитную антенну, причем первичная обмотка трансформатора подключается к усилителю мощности и содержит большее число витков, чем вторичная обмотка, которая подключается к рамочной магнитной антенне для генерирования магнитного поля. Описанная конструкция взята за прототип. Недостатком конструкции прототипа является нестабильность параметров магнитного поля, создаваемого передающей рамочной магнитной антенной. В подвижных системах связи параметры окружающего антенну пространства могут изменяться как с течением времени, так и при перемещении в пространстве. Например, при перемещении передающей антенны под землей может изменяться проводимость грунта, что приводит к изменению импеданса нагрузки, текущего в ней тока и, следственно, параметров формируемого передающей антенной магнитного поля. Кроме того, в некоторых приложениях требуется гибкая антенна, геометрия которой может изменяться в процессе работы системы связи, что также приводит к изменению параметров формируемого поля.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение стабильности параметров магнитного поля, формируемого антенной передатчика ближнепольной магнитной системы связи.
Данная задача решается за счет того, что в передающей антенне с обратной связью для системы ближнепольной магнитной передачи информации, которая содержит магнитную рамку, подключенную через согласующие цепи к выходу усилителя мощности передатчика системы ближнепольной магнитной связи, новым является то, что дополнительно установлены цепь обратной связи и датчик магнитного поля, а усилитель мощности передатчика дополнительно имеет вход регулирования коэффициента усиления сигнала, причем уровень усиления сигнала через цепь обратной связи задается таким образом, чтобы стабилизировать величину магнитного поля магнитной рамки.
Заявленное техническое решение поясняется чертежом, где изображена структурная схема передающей антенны с обратной связью для системы ближнепольной магнитной передачи информации.
Передающая антенна с обратной связью для системы ближнепольной магнитной передачи информации имеет усилитель (1) мощности, вход которого подключен к источнику сигнала - модулятору (2) системы связи. Выход усилителя (1) мощности подключен через согласующие цепи (3) к магнитной антенне (4). Датчик (5) магнитного поля устанавливается вблизи магнитной антенны (4). Выход датчика (5) магнитного поля через цепь (6) обратной связи подключен на вход управления коэффициентом усиления усилителя (1) мощности.
Передающая антенна с обратной связью для системы ближнепольной магнитной передачи информации работает следующим образом.
На вход усилителя (1) мощности поступает сигнал от модулятора (2) системы связи. Усиленный по мощности сигнал передается на согласующие цепи (3), выполняющие согласование выходного сопротивления усилителя (1) мощности и входного сопротивления магнитной антенны (4). Магнитная антенна (4) формирует модулированное переменное магнитное поле в окружающем пространстве. Датчик (5) магнитного поля измеряет амплитуду переменного магнитного поля, создаваемого антенной (4). Выходной сигнал датчика (5) магнитного поля поступает на цепь (6) обратной связи, сигнал с выхода которой управляет коэффициентом усиления усилителя (1) мощности.
2
1/2
1/2
2
2
2
2
2
г
L
C
г
L
L
L
p
г
L
г
г
Приведем конкретный пример. Антенна системы ближнепольной магнитной связи работает в режиме последовательного резонанса. Индуктивность одновитковой (N=1) антенны L=1 мкГн, последовательно включен конденсатор емкостью С=2,5 мкФ, эквивалентные потери R=10 мОм. Площадь рамки S=0,2 м. Частота последовательного резонанса [1] f=1/(2π(LC)) ≈ 100,7 кГц. Характеристическое сопротивление контура r=(L/C) ≈ 0,63 Ом. Добротность контура Q=r/R ≈ 63,3. Напряжение на выходе генератора U=1 В, напряжение на реактивных элементах контура U=U ≈ UQ ≈ 63,3 В. Реактивное сопротивление индуктивности Z=2πfL ≈ 0,63 Ом. Входное сопротивление контура на резонансе чисто активное и равно сопротивлению потерь R, ток в цепи I=U/R=U/Z ≈ 100 А. Тепловые потери Р=IR ≈ 100 Вт. Магнитный момент М=NIS ≈ 20 А⋅м. В процессе работы системы связи возможно появление дополнительных потерь, связанных с взаимодействием с окружающими предметами. Например, при приближении к антенне стальной пластины S=0,01 м в контур вносятся дополнительные потери, снижающие добротность до Q ≈ 50. Как следствие, снижается ток I=UQ/Z ≈ 79,6 А, и падает магнитный момент до М ≈ 15,9 А⋅м. За счет обратной связи происходит повышение коэффициента усиления и напряжение U повышается до U ≈ 1,26 В, что обеспечивает поддержание М ≈ 20 А⋅м, благодаря чему достигается положительный эффект.
Из примера видно, что введение обратной связи в передающую антенну системы ближнепольной магнитной связи обеспечивает стабилизацию параметров формируемого магнитной антенной магнитного поля, что повышает надежность и эффективность работы ближнепольной магнитной системы передачи информации.
Список источников
1. Атабеков, Г.И. Основы теории цепей. Учебник для вузов. М., «Энергия», 1969, 424 с.