Многоэлементная магнитная антенна ДВ и СДВ диапазона частот

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к антенной технике, а именно к передающим антеннам длинноволнового (ДВ) и сверхдлинноволнового (СДВ) диапазона частот.
Уровень техники
Из уровня техники известна аэростатная антенна зонтичного типа (RU 2340986, опуб.10.12.2008, H01Q 1/28) и мобильная передающая антенна СДВ диапазона (RU 64436, опуб. 27.06.2007, H01Q 1/14). Эти антенны, относящиеся к классу электрических антенн, характеризуются прежде всего тем, что представляют собой несимметричную вертикальную антенну, удерживаемую в вертикальном положении при помощи воздушных мобильных приспособлений (аэростат, БПЛА). Недостатком таких аналогов является существование зависимости от факторов окружающей среды (порывы ветра, дождь, гроза), и наличие многосложной и длительной операции по приведению СДВ антенны в работоспособное состояние, а также необходимость в регулярных поставках топлива/электроэнергии для аэростата/БПЛА.
Из уровня техники известны также магнитные антенны, предназначенные для передачи и приема электромагнитных сигналов ДВ и СДВ диапазона - передающая линейная магнитная антенна (RU 2428774 С1 МПК H01Q 7/06 опуб. 10.09.2011), и компактная параметрическая антенна (US 5495259А опуб. 27.02.1996, H01Q 7/06). Эти антенны, относящиеся к классу магнитных диполей Герца, объединяет наличие внешней обмотки соленоида, намотанной на поверхность диэлектрического каркаса, внутри которого по всей его длине располагается магнитопровод. Магнитопровод антенн исполняется с заданным значением магнитной и диэлектрической проницаемости, для достижения искомой резонансной частоты изготавливаемой антенны.
Недостатком данных аналогов является недостаточная радиационная эффективность, которая может быть скомпенсирована для рассчитываемой одиночной антенны лишь за счет увеличения максимальной возможной подводимой мощности, для чего требуется увеличение диаметра магнитопровода. И как следствие, пропорционального увеличения его длины и длины самой антенны. Это обстоятельство, в совокупности с тем, что для повышения радиационной эффективности, длина магнитопровода выбирается не менее чем в 20-30 раз больше диаметра внешней обмотки соленоида, накладывает существенные ограничения на возможности размещения и использования достаточно мощной антенны на борту подвижных объектов.
Сущность полезной модели
Задачей заявленного технического решения является создание многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот с увеличенной мощностью излучения, при сохранении возможности использования на борту мобильных объектов находящихся в движении, без необходимости использования поддерживающих мачтовых или воздухоплавающих устройств.
Технический результат заявленного технического решения заключается в повышении помехоустойчивости и дальности действия распространения сигнала.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что многоэлементная магнитная антенна ДВ и СДВ диапазона частот, содержит антенные элементы, зафиксированные относительно друг друга неподвижно и расположенные таким образом, что их центральные продольные оси параллельны, а их объемы пересекают общую плоскость, ортогональную их продольным осям,
при этом каждый антенный элемент состоит из внешней обмотки соленоида, выполненной из многожильного кабеля, жилы которого размещены в изоляционной оболочке и уложены параллельно, намотанного на диэлектрический каркас, внутренняя полость которого содержит ферромагнитный сердечник.
В частном случае многоэлементная магнитная антенна ДВ и СДВ диапазона частот согласована с передатчиком сигналов посредством внешнего конденсатора или группы внешних конденсаторов и трансформатора.
0
0
В частном случае реализации заявленного технического решения ферромагнитные сердечники антенных элементов дополнительно выполнены с центральным продольным отверстием по всей своей длине, через которые проложен, соединенный с генератором постоянного тока, кабель постоянного «управляющего» тока I обеспечивающего возможность посредством изменения собственной величины изменять магнитную проницаемость материала ферромагнитных сердечников антенных элементов в продольном направлении, что позволяет изменять собственную резонансную частоту антенны в пределах полосы пропускания постоянного «управляющего» тока I.
В частном случае реализации заявленного технического решения входящие в ее состав антенные элементы включены последовательно, при этом вход внешней обмотки соленоида первого антенного элемента соединен с выходом передатчика, а выход внешней обмотки соленоида последнего антенного элемента соединен с входом передатчика, причем антенные элементы соединены таким образом, что выход внешней обмотки соленоида одного антенного элемента соединен с входом внешней обмотки соленоида следующего очередного антенного элемента.
В частном случае реализации заявленного технического решения входящие в состав антенны антенные элементы включены параллельно, при этом входы внешних обмоток соленоидов всех антенных элементов параллельно соединены с выходом передатчика, и соответственно выходы внешних обмоток соленоида всех антенных элементов параллельно соединены с входом передатчика.
В частном случае реализации заявленного технического решения входящие в ее состав антенные элементы включены комбинированным параллельным и последовательным соединением.
В частном случае реализации заявленного технического решения ферромагнитный сердечник каждого антенного элемента выполнен из материала с высокой магнитной проницаемостью.
В частном случае реализации заявленного технического решения выполнена с возможностью передачи электромагнитных волн длинной волны более 1 км при стационарном размещении.
В частном случае реализации заявленного технического решения выполнена с возможностью передачи электромагнитных волн длинной волны более 1 км, на борту подвижного объекта.
В частном случае реализации заявленного технического решения дополнительно содержит одновитковую петлю, выполненную из коаксиального кабеля и плотно обволакивающую внешнюю боковую поверхность многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот таким образом, что через ее внутреннюю площадь проходят все антенные элементы.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящей полезной модели следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - Последовательное соединение антенных элементов многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот.
Фиг. 2 - Параллельное соединение антенных элементов многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот.
Фиг. 3 - Параллельно-последовательное соединение антенных элементов многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот.
Фиг.4 - Параллельное соединение антенных элементов многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот, без использования кабеля «управляющего» тока подмагничивания Ь.
Фиг. 5 - Общий вид на совокупность антенных элементов многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот.
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:
1 - многожильный кабель; 2 - диэлектрический каркас, полость которого содержит ферромагнитный сердечник; 3 - передатчик сигналов; 4 - внешний конденсатор или группа внешних конденсаторов; 5 - трансформатор; 6 - блок обратной связи; 7 - одновитковая петля; 8 - кабель подведения тока подмагничивания 1о; 9 - общая плоскость, которую пересекают объемы всех антенных элементов, и которая ортогональна их продольным осям; 10 - антенные элементы, продольные центральные оси которых расположены параллельно друг друга.
Также на фигуре 5 обозначены следующие позиции: S - площадь поперечного сечения антенного элемента (включая внешнюю обмотку соленоида); L - длина антенного элемента;
Раскрытие полезной модели
Многоэлементная магнитная антенна ДВ и СДВ диапазона состоит из антенных элементов (10), зафиксированных относительно друг друга неподвижно, предпочтительно на поддерживающей конструкции из непроводящего, не намагничивающегося материала. Каждый антенный элемент (10) содержит внешнюю обмотку соленоида, выполненную из многожильного кабеля (1), намотанного на диэлектрический каркас (2). Диэлектрический каркас (2) каждого антенного элемента (10) содержит ферромагнитный сердечник. Внешняя обмотка соленоида выполнена однослойной, а ее жилы размещены в изоляционной оболочке и уложены параллельно. Антенный элемент (10) имеет форму цилиндра или многоугольной призмы, обладая площадью поперечного сечения (S), и длиной (L).
Антенные элементы (10) расположены в многоэлементной магнитной антенне ДВ и СДВ диапазона относительно друг друга параллельно и с наличием интервала, при том, что их объемы пересекают общую плоскость, ортогональную их продольным осям. Минимальное количество антенных элементов (10) необходимое для достижения заявленного технического результата равно двум. С точки зрения улучшения эффективности достижения технического результата, предполагается стремление к использованию максимально идентичных антенных элементов, расположению их параллельно, и с интервалом равному не менее одной площади поперечного сечения антенного элемента, и расположению антенных элементов (10) в продольном направлении таким образом, чтобы их торцы лежали в одной плоскости.
Вышеописанная компоновка реализуется с целью максимально эффективного взаимного усиления возникающих в теле магнитопровода каждого из антенных элементов (10) антенны продольных магнитных силовых линий, а также поперечных электрических силовых линий, возникающих в теле магнитопровода и диэлектрического каркаса каждого из элементов (10), которое приводит к увеличению излучаемой мощности многоэлементной магнитной антенны, пропорционально количеству антенных элементов (10) в составе многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот, в сравнении с излучаемой мощностью одиночного элемента.
Ферромагнитный сердечник антенных элементов (10) выполнен с высоким значением магнитной проницаемости, если применяется передатчик сигналов выполненный с возможностью передачи волн с длинной волны более 1 км.
0
0
В варианте реализации заявленного технического решения ферромагнитный сердечник каждого антенного элемента (10) выполнен с центральным продольным каналом. При этом кабель управляющего тока подмагничивания I (8) расположен в упомянутом центральном продольном канале каждого ферромагнитного сердечника каждого антенного элемента (10), входящего в состав антенны и соединен с генератором постоянного тока, расположенном в блоке обратной связи (6). В данном варианте заявленного технического решения дополнительно реализована возможность выбора рабочей точки, и изменения магнитной проницаемости в продольном направлении материала магнитопровода антенного элемента (10) посредством изменения величины тока подмагничивания I, благодаря которому возможно изменение собственной частоты антенных элементов в пределах его полосы пропускания, то есть осуществлять плавную подстройку антенного контура в резонанс с частотой «несущей» f. Такая необходимость может возникнуть при использовании постоянных по величине конденсаторов.
В варианте реализации заявленного технического решения многоэлементная магнитная антенна ДВ и СДВ диапазона частот дополнительно содержит одновитковую петлю (7), выполненную из коаксиального кабеля и плотно обволакивающую боковую поверхность крайних антенных элементов (10) многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот. Петля (7) расположена параллельно виткам внешних обмоток соленоида антенных элементов (10). Данная одновитковая петля (7), в частности позволяет регистрировать данные об амплитудном значении сигнала на блок обратной связи (6).
0
0
Блок обратной связи (6) является средством для ручной или автоматической подстройки антенного контура в резонанс, посредством изменения величины тока подмагничивания lo в кабеле (8). Для этой цели, в состав блока обратной связи (6) включают электронно-вычислительную машину (далее - ЭВМ), передающую в асинхронном режиме информацию в виде символов ASCII, в соответствии с разработанной программой, входное прецизионное спектрометрическое цифроаналоговое устройство, и выходной генератор постоянного тока с парой интегральных операционных усилителей мощности, питающей «управляющим» током подмагничивания I кабель (8) в соответствии с кодом, полученным с шины, соединяющей блок обратной связи (6) с ЭВМ. Ориентируясь на графические и измерительные данные частотного спектра, отображенного на экране ЭВМ, можно вручную или автоматически, по уровню «пика» сигнала (по максимуму показания) изменением величины тока подмагничивания I в кабеле (8) подстроить антенный контур в резонанс с частотой «несущей» f.
Внешняя обмотка соленоида выполнена из многожильного провода (1), в котором жилы размещены в изоляционной оболочке и уложены параллельно, и имеет согласованное включение по фазе с внешними обмотками соленоида каждого из остальных антенных элементов (10). Согласованное включение по фазе необходимо для уменьшения отражения, а также для защиты генератора и увеличения максимально возможной мощности передачи по тракту, и увеличения мощности излучения многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот.
Внешняя обмотка соленоида каждого антенного элемента (10) соединена с передатчиком (3) сигналов посредством кабеля подведения тока возбуждения. Передатчик сигналов (3) выполнен с возможностью передачи сверхдлинных волн, т.е. с длинной волны более 1 км.
Каждый антенный элемент согласован с передатчиком (3) сигналов посредством внешнего конденсатора или группы внешних конденсаторов (4) многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот и трансформатора (5). Согласование необходимо для условия распространения вдоль тракта бегущей волны.
Антенные элементы (10) в варианте реализации заявленного технического решения соединены друг с другом последовательно (фиг. 1).
Антенные элементы (10) в варианте реализации заявленного технического решения соединены друг с другом параллельно (Фиг. 2).
Антенные элементы (10) в варианте реализации заявленного технического решения соединены друг с другом последовательно-параллельно (Фиг. 3).
Во всех перечисленных вариантах, передатчик (3) сигналов согласован с многоэлементной магнитной антенной ДВ и СДВ диапазона частот с помощью согласующего трансформатора (5), который соединен через используемые внешние конденсаторы (4) или группу внешних конденсаторов (4), каждый из которых расположен на входе и выходе многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот. При этом если используется кабель подведения тока подмагничивания (8) проходит через центральный продольный канал ферромагнитного сердечника каждого из антенных элементов в последовательном порядке.
0
Последовательное соединение внешних обмоток соленоида антенных элементов (10) подразумевает соединение внешнего конденсатора (4) на входе многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот со входом внешней обмотки соленоида первого антенного элемента в многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот, выход которой соединен со входом внешней обмотки соленоида следующего очередного антенного элемента (10), и так до последнего антенного элемента (10), выход внешней обмотки соленоида которого соединен с внешним конденсатором (4) на выходе многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот. Такое подключение обеспечивает увеличение индуктивности La многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот пропорционально числу включаемых антенных элементов (9) в состав многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот, при идентичных используемых внешних конденсаторах (4) или группе конденсаторов (4), что приводит к снижению значения резонансной частоты f контура тока возбуждения многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот.
0
Параллельное соединение подразумевает собой параллельное соединение всех входов внешних обмоток соленоида антенных элементов (10) с внешним конденсатором (4) на входе многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот, и соответственно всех выходов внешних обмоток соленоида антенных элементов (10) с внешним конденсатором на выходе многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот. Такое подключение способствует уменьшению индуктивности La многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот, пропорционально числу включаемых антенных элементов, при одних и тех же используемых внешних конденсаторах (4) или группе конденсаторов, что приводит к повышению значения резонансной частоты f контура тока возбуждения многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот.
0
Последовательно-параллельное соединение подразумевает схему, пример которой изображен на фиг. 2, - к конденсатору на входе многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот параллельно соединяются входы внешних обмоток соленоида двух антенных элементов (10), выходы которых также параллельно соединены, а затем последовательно подведены к входам внешних обмоток соленоида двух других антенных элементов (10), входы которых также параллельно соединены между собой, а выходы - параллельно соединены с конденсатором на выходе многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот. Такое комбинирование последовательного и параллельного соединений внешних обмоток соленоида антенных элементов, позволяет добиться достижения нужной величины индуктивности La многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот, необходимой для достижения в сочетании с используемыми конденсаторами нужной величины собственной резонансной частоты f контура тока возбуждения многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот, для заданного значения частоты «несущей» f на заданном диапазоне частот.
Заявленная многоэлементная магнитная антенна ДВ и СДВ диапазона в режиме излучения работает следующим образом: на кабель тока подмагничивания (8) подается постоянный ток, который управляет магнитной проницаемостью ферромагнитных сердечников антенных элементов (2), которая в свою очередь влияет на частоту резонансного антенного контура тока "возбуждения", протекающего по внешним обмоткам соленоидов антенных элементов (2). Изменение величины постоянного тока осуществляется с помощью генератора постоянного тока, расположенного в блоке обратной связи (6), и позволяет изменять собственную резонансную частоту антенного контура тока «возбуждения», для плавной подстройки антенных элементов на резонанс, что позволяет добиться максимальной возможной мощности излучения антенны.
Использование такой многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот, приводит к лучшему согласованию системы с окружающим пространством, увеличивает сопротивление излучения, что соответственно приводит к увеличению мощности излучения антенны. Количество антенных элементов (10) в вариантах реализации заявленного технического решения может варьироваться от двух, до десятков и более, в зависимости от возможностей и потребностей передачи.
Увеличение мощности излучения многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот приводит к повышению помехоустойчивости и точностных характеристик системы, улучшает разрешающую способность и повышает дальность действия распространения сигнала.
На фиг. 1 приведен пример вариант конкретной реализации многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот, состоящей из 4 антенных элементов, соединенных последовательно.
На многожильный кабель (1), намотанный на диэлектрический каркас (2), полость которого по всей длине наполнена ферромагнитным сердечником с заданным значением магнитной проницаемости, которая рассчитывается и подбирается в зависимости от искомой резонансной частоты многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот - со следующим параметром намотки: однослойная внешняя обмотка соленоида, представленная, одним многожильным кабелем, в котором жилы размещены в изоляционной оболочке и уложены параллельно, имеющая согласованное включение по фазе с внешними обмотками соленоида каждого из остальных антенных элементов, подается сигнал с передатчика (3) на заданной частоте. Передатчик (3) согласован с многоэлементной магнитной антенной ДВ и СДВ диапазона частот посредством внешних конденсаторов или группы конденсаторов (4) заданной емкости и трансформатора (5) с заданным коэффициентом Трансформации.
На кабель подмагничивания (8) подается постоянный ток заданной величины, который управляет магнитной проницаемостью ферромагнитного сердечника каждого антенного элемента (10), что в свою очередь влияет на значение резонансной частоты антенны, при одних и тех же используемых конденсаторах. Значение постоянного тока устанавливается с помощью генератора постоянного тока (6), и обеспечивает подстройку антенных элементов на резонанс, что приводит к увеличению мощности излучения многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот.
Использование, к примеру, четырех антенных элементов (10), приводит к лучшему согласованию системы с окружающим пространством, увеличению сопротивления излучения в 4 раза, что соответственно приводит к увеличению мощности излучения антенной системы в 16 раз, в сравнении с одиночным антенным элементом.
Увеличение мощности излучения многоэлементной магнитной антенны ДВ и СДВ диапазона частот практически линейно связано с повышением помехоустойчивости и точностных характеристик системы, улучшает разрешающую способность и повышает дальность действия распространения сигнала.