Рамочная антенна
LOOP ANTENNA

Настоящее изобретение относится к области радиотехники, а именно к антеннам метрового диапазона частот, и может найти применение в системах радиомониторинга, в системах контроля электромагнитной обстановки, в системах связи, а также в качестве зонда для измерения амплитудно-фазового распределения токов в излучающих элементах антенных решеток.
Известна рамочная антенна (патент РФ №2318275, «Рамочная антенна», МПК H01Q 7/00, 27.02.2008), содержащая многовитковую рамку, размещенную в многовитковом экране, выполненном в виде трубы с поперечным разрезом кольцевой формы, контактный элемент, установленный на конец последнего витка с образованием точки гальванического контакта с одной стороны с концом последнего витка рамки, а с другой стороны - с началом первого витка трубы, при этом электрическая длина одной части многовиткового экрана рамки равна электрической длине другой части многовиткового экрана рамки, начало первого витка рамки и соответствующее ему начало первого витка трубы образуют отрезок коаксиальной линии передачи, который подключен к трансформатору импедансов, выход которого является входом антенны.
Недостатки известной рамочной антенны:
- в антенне нет устройств для настройки антенны на резонансную частоту;
- сложность в изготовлении конструкции заданной геометрии;
- необходимость включения в состав антенны трансформатора.
Наиболее близким к заявленному техническому решению - прототипом - является известная рамочная антенна (патент РФ №2433513, «Экранированная магнитная рамочная антенна», МПК H01Q 7/04, 10.11.2011), содержащая по крайней мере рамку с одним витком, размещенную в экране в виде трубы с поперечным разрезом кольцевой формы, который выполнен симметрично относительно начала и конца витка рамки. Каждый виток рамки выполнен зигзагообразной формы и расположен на одной плоскости, при этом верхняя и нижняя вершины каждого зигзага витка рамки выполнены подковообразной формы.
Недостатком известной рамочной антенны является то, что в антенне нет устройств для настройки антенны на резонансную частоту.
Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении точности настройки рамочной антенны на рабочую (резонансную) частоту.
Технический результат достигается тем, что рамочная антенна содержит проводящую трубку с первым и вторым концами, согнутую в кольцо с образованием зазора между первым и вторым концами, фидер, соединитель радиочастотный, согласующий отрезок кабеля с первым и вторым концами, первую и вторую проводящие втулки. При этом первая проводящая втулка введена в проводящую трубку в области первого ее конца с образованием точки гальванического контакта с проводящей трубкой, вторая проводящая втулка введена в проводящую трубку в области второго ее конца с образованием точки гальванического контакта с проводящей трубкой. Согласующий отрезок кабеля проложен в проводящей трубке через вторую проводящую втулку с образованием в области зазора гальванического контакта между внешним проводником согласующего отрезка кабеля и второй проводящей втулкой, второй конец согласующего отрезка кабеля разомкнут и ни с чем не соединен. В области, диаметрально противоположной указанному зазору, выполнено отверстие, фидер введен в проводящую трубку через указанное отверстие и проложен в проводящей трубке до первого ее конца, внешний проводник фидера в области зазора соединен с первой проводящей втулкой с образованием точки гальванического контакта, центральный проводник проложен в области зазора с образованием точки гальванического контакта с центральным проводником согласующего отрезка кабеля.
Введение в состав рамочной антенны первой проводящей втулки, второй проводящей втулки и согласующего отрезка кабеля, их взаимное расположение и соединение в рамочной антенне, как указано выше, решает следующие задачи:
- создать рамочную антенну, обеспечивающую компенсацию реактивной составляющей входного импеданса антенны;
- обеспечить простой метод настройки рамочной антенны по согласованию с фидером на рабочей частоте,
- снизить уровень мощности, возвращающийся к передатчику при работе рамочной антенны на передачу, за счет согласования рамочной антенны с фидером;
- повысить устойчивость рамочной антенны к высокочастотному пробою за счет снижения напряженности поля в соединителе радиочастотном вследствие снижения КСВ в линии питания при работе рамочной антенны в режиме передачи;
- обеспечить рамочную антенну устройством согласования за счет изменения реактивного сопротивления устройства согласования и тем самым расширить полосу рабочих частот рамочной антенны;
- обеспечить максимальную передачу мощности за счет согласования рамочной антенны с фидером;
- повысить потенциально возможный уровень мощности в выбранном заранее фидере за счет снижения КСВ в нем;
- минимизировать потери в фидере и в результате снизить нагрев фидера при передаче по нему мощности;
- плавные контуры поверхности рамочной антенны препятствуют скоплению на ней мокрого снега и образованию льда.
Решение поставленных задач поясняется чертежами.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена рамочная антенна в соответствии с настоящим изобретением в разобранном виде.
На фиг. 1 введены следующие обозначения:
1 - рамочная антенна,
2 - проводящая трубка,
3 - первый конец проводящей трубки 2,
4 - второй конец проводящей трубки 2,
5 - зазор,
6 - фидер,
7 - соединитель радиочастотный,
8 - первая проводящая втулка,
9 - вторая проводящая втулка,
10 - согласующий отрезок кабеля,
11 - первый конец согласующего отрезка 10 кабеля,
12 - второй конец согласующего отрезка 10 кабеля,
13 - отверстие,
18 - центральный проводник фидера 6,
22 - центральный проводник согласующего отрезка 10 кабеля,
23 - точка гальванического контакта (между центральным проводником 18 фидера 6 и центральным проводником 22 согласующего отрезка 10 кабеля).
На фиг. 2 представлено сечение рамочной антенны 1 в собранном виде. На фиг. 2 введены следующие обозначения:
14 - точка гальванического контакта (между первой проводящей втулкой 8 и проводящей трубкой 2),
15 - точка гальванического контакта (между второй проводящей втулкой 9 и проводящей трубкой 2),
16 - внешний проводник фидера 6,
19 - диэлектрик фидера 6,
20 - внешний проводник согласующего отрезка 10 кабеля,
30 - оболочка фидера 6,
31 - оболочка согласующего отрезка 10 кабеля,
32 - диэлектрик согласующего отрезка 10 кабеля.
На фиг. 3 показана область зазора 5 рамочной антенны, гальваническое соединение внешнего проводника фидера с первой проводящей втулкой, внешнего проводника согласующего отрезка кабеля со второй проводящей втулкой. На фиг. 3 введены следующие обозначения:
17 - точка гальванического контакта (внешнего проводника 16 фидера 6 с первой проводящей втулкой 8).
21 - точка гальванического контакта (внешнего проводника 16 согласующего отрезка 10 кабеля со второй проводящей втулкой 9).
На фиг. 4 показано поперечное сечение А-А проводящей трубки и фидера.
На фиг. 5 приведена эквивалентная схема антенны. На фиг. 5 введены следующие обозначения:
1
24 - емкость конденсатора C (между торцами первой проводящей втулкой 8 и второй проводящей втулкой 9),
2
25 - емкость конденсатора C (обусловленная поверхностью внешнего проводника 16 согласующего отрезка 10 кабеля и центральным проводником 22 согласующего отрезка кабеля 10),
26 - индуктивность L, обусловленная протеканием токов по внутренней и по внешней поверхностям проводящей трубки от второго конца проводящей трубки до первого конца,
27 - реальная часть входного сопротивления антенны R,
28 - условная клемма, соответствующая точке на входе центрального проводника согласующего отрезка кабеля,
29 - условная клемма, соответствующая точке гальванического контакта внешнего проводника фидера с первой проводящей втулкой.
На фиг. 6 приведены экспериментальные зависимости реальной Re Z и мнимой Im Z частей входного сопротивления образца рамочной антенны от частоты.
На фиг. 7 приведена экспериментальная зависимость КСВ образца рамочной антенны от частоты.
На фиг. 1 представлена рамочная антенна 1 в соответствии с настоящим изобретением в разобранном виде. Рамочная антенна 1 содержит проводящую трубку 2 с первым 3 концом и вторым 4 концом, согнутую в кольцо с образованием зазора 5 между первым 3 концом и вторым 4 концом, фидер 6, соединитель радиочастотный 7, первую проводящую втулку 8 с буртиком и вторую проводящую втулку 9 с буртиком, согласующий отрезок 10 кабеля с первым 11 концом и вторым 12 концом.
На проводящей трубке 2 в области, диаметрально противоположной указанному зазору 5, выполнено отверстие 13. Проводящая трубка 2, первая проводящая втулка 8 с буртиком и вторая проводящая втулка 9 с буртиком выполнены из проводящего материала, такого как, например, медь, латунь, алюминий.
В качестве согласующего отрезка 10 кабеля может быть использован, например, отрезок серийного коаксиального кабеля. В качестве фидера 6 может быть использован серийный коаксиальный кабель. В качестве соединителя радиочастотного 7 может быть использован соединитель радиочастотный коаксиальный общего применения.
Первая проводящая втулка 8 выполнена с буртиком, установлена на первый конец 3 проводящей трубки 2 с образованием точки гальванического контакта 14. Вторая проводящая втулка 9 выполнена с буртиком, установлена на второй конец 4 проводящей трубки 2 с образованием точки гальванического контакта 15. Соединитель радиочастотный 7 заделан на первый конец фидера 6. Вторым концом фидер введен через отверстие 13 в проводящую трубку 2 и проложен в проводящей трубке 2 до ее первого конца 3.
Внешний проводник 16 фидера 6 соединен с первой проводящей втулкой 8 с буртиком с образованием точки гальванического контакта 17 (фиг. 3), например, пайкой или сваркой.
Центральный проводник 18 фидера 6 и диэлектрик 19 фидера 6 проложены в области зазора 5. Согласующий отрезок 10 кабеля проложен в проводящей трубке 2 через вторую проводящую втулку 9. В области зазора 5 внешний проводник 20 согласующего отрезка 10 кабеля соединен со второй проводящей втулкой 9 с буртиком (фиг. 3) с образованием точки гальванического контакта 21, например, пайкой или сваркой. Второй конец 12 согласующего отрезка 10 кабеля разомкнут и ни с чем не соединен. В области зазора 5 центральный проводник 22 согласующего отрезка 10 кабеля соединен с центральным проводником 18 фидера с образованием точки гальванического контакта 23.
На фиг. 4 представлено сечение рамочной антенны 1, которое отражает взаимное расположение: проводящей трубки 2, внешнего проводника 16 фидера 6, центрального проводника 18 фидера 6, диэлектрика 19 фидера 6, оболочки 30 фидера 6.
Рамочная антенна работает следующим образом. Рамочная антенна 1 возбуждается в зазоре 5 между первым 3 и вторым 4 концами проводящей трубки 2. При работе рамочной антенны 1 на прием возбуждение определяется появлением разности потенциалов между первым 3 и вторым 4 концами проводящей трубки 2 согласно закону электромагнитной индукции Фарадея. Длина зазора 5 не превышает одной пятидесятой длины волны. В соответствии с известным уравнением непрерывности токов токи смещения, возникающие между первым 3 и вторым 4 концами проводящей трубки 2, продолжаются токами проводимости на поверхности проводящей трубки 2. Токи проводимости на поверхности проводящей трубки 2 сопровождаются излучением электромагнитного поля в окружающее пространство.
Из теории технической электродинамики известно, что коэффициент стоящей волны для антенны будет наилучшим, равным единице, при равенстве входного сопротивления антенны волновому сопротивлению фидера.
Указанная выше конструкция рамочной антенны 1 обеспечивает удобную регулировку согласования рамочной антенны 1 с фидером 6.
1
2
Рассмотрим это подробнее, обратившись к эквивалентной схеме рамочной антенны на фиг. 5. На фиг. 5 позицией 24 обозначена емкость конденсатора C, обусловленная протеканием токов смещения между первой проводящей втулкой 8 и второй проводящей втулкой 9 с буртиками, поверхности втулок выполняют роль обкладок конденсатора. При этом роль диэлектрика выполняет воздушная прослойка, образованная в области зазора 5. Также на фиг. 5 указана емкость 25 второго конденсатора C, обусловленная поверхностью внешнего проводника 20 согласующего отрезка 10 кабеля и центральным проводником 22 согласующего отрезка кабеля 10. При этом роль диэлектрика выполняет диэлектрик 32 согласующего отрезка 10 кабеля. Для предотвращения возможного короткого замыкания между внешним проводником 20 согласующего отрезка 10 кабеля и проводящей трубкой 2 согласующий отрезок 10 кабеля имеет оболочку 31 согласующего отрезка 10 кабеля.
Индуктивность 26 L, обусловленная протеканием токов по внутренней и внешней поверхностям проводящей трубки 2 от второго конца 4 проводящей трубки 2 до первого конца 3. На фиг. 5 указана реальная часть входного сопротивления антенны 27 R. Клемма 28 соответствует точке на входе центрального проводника 22 согласующего отрезка 10 кабеля. Клемма 29 соответствует точке гальванического контакта 17 внешнего проводника 16 фидера 6 с первой проводящей втулкой 8.
2
Согласование рамочной антенны 1 достигают подбором величины эквивалентной емкости конденсатора C 25 путем изменения длины согласующего отрезка 10 кабеля.
1
2
1
2
Таким образом, имеем дело с двумя последовательно включенными емкостями: емкостью конденсатора C 24 и емкостью конденсатора C 25. Известно, что последовательным включением двух конденсаторов получают эквивалентный конденсатор с емкостью меньшей, чем емкость каждого конденсатора в отдельности. Теперь при фиксированном значении емкости конденсатора C 24, изменяя емкость конденсатора C 25 в больших пределах, получают изменения величины эквивалентной емкости в небольших пределах.
Исходная длина согласующего отрезка 10 кабеля должна быть большей по сравнению с тем случаем, когда нет другого конденсатора. Следовательно, изменение длины согласующего отрезка 10 кабеля теперь в относительных единицах больше, а настройка более точная.
Т.е. настройка рамочной антенны 1 на рабочую частоту изменением длины согласующего отрезка 10 кабеля, например, путем его подрезания не вызывает затруднений, т.к. изменения длины выполняется на величины, измеряемые миллиметрами.
Именно удобство и точность настройки рамочной антенны на рабочую частоту определяет достоинство настоящего изобретения.
При описании примера реализации настоящего изобретения будем обращаться к упомянутым фигурам. В изготовленном образце рамочной антенны 1 проводящая трубка 2 выполнена из меди, согнута в кольцо радиусом 155 мм; диаметр поперечного сечения трубки равен 21 мм, толщина стенки равна 1 мм.
Первая проводящая втулка 8 с буртиком и вторая проводящая втулка 9 с буртиком выполнены из латунного прутка на токарном станке. Для обеспечения качественного гальванического контакта первая проводящая втулка 8 с буртиком и вторая проводящая втулка 9 с буртиком были покрыты олово-висмутовым сплавом. В качестве фидера 6 использован серийный коаксиальный кабель РК-50-2-11. Согласующий отрезок 10 кабеля выполнен в виде отрезка коаксиально кабеля РК-50-2-11. В качестве соединителя радиочастотного 7 использован СР-50-135Ф. Конец согласующего отрезка 10 кабеля разомкнут и ни с чем не соединен. Измеренные на образце значения реальной Re Z и мнимой части Im Z входного сопротивления в диапазоне частот приведены на фиг. 6.
Как видно из рассмотрения графиков на фиг. 6, рамочная антенна на частоте 109 МГц имеет реальную составляющую входного сопротивления, равную 40 Ом, и мнимую часть входного сопротивления равную -5 Ом.
На фиг. 7 приведены измеренные на образце значения КСВ рамочной антенны 1 в диапазоне частот. Из графика на фиг. 7 видно, что резонанс и наилучшее согласование рамочной антенны 1 достигаются на частоте 109 МГц с КСВ, равным 1,2. Из данного графика следует, что рамочная антенна обладает высокой добротностью.
Изготовление рамочной антенны 1 по настоящему изобретению упрощено тем, что фидер 6 и согласующий отрезок 10 кабеля выполнены из одного коаксиального кабеля. Коаксиальный кабель своим концом введен в проводящую трубку 2 через отверстие 13 и проложен через проводящую трубку 2 до первого конца проводящей трубки 3. Далее коаксиальный кабель своим концом введен через первую проводящую втулку 8 с буртиком в область зазора 5, где проложен до второго конца 4 проводящей трубки 2 и введен через вторую проводящую втулку 9 с буртиком в проводящую трубку 2. В области зазора 5 удалена оболочка коаксиального кабеля. Внешний проводник коаксиального кабеля имеет разрыв в области зазора 5, так что со стороны первого конца 3 проводящей трубки 2 внешний проводник коаксиального кабеля соединен с первой проводящей втулкой 8 с буртиком с образованием точки гальванического контакта 17, со стороны второго конца 4 проводящей трубки 2 внешний проводник коаксиального кабеля соединен со второй проводящей втулкой 9 с буртиком с образованием точки гальванического контакта 21. В таком случае центральный проводник коаксиального кабеля остается общим для фидера 6 и согласующего отрезка 10 кабеля.
Предложенная рамочная антенна может найти применение в качестве передающей или приемной антенны в системах радиомониторинга, в системах контроля электромагнитной обстановки, в системах связи, в качестве зонда для измерения амплитудно-фазового распределения токов в излучающих элементах антенных решеток.