Передающая антенна для системы ближнепольной магнитной связи

Полезная модель относится к технике связи, а более конкретно - к передающим антеннам для систем ближнепольной магнитной связи и может быть использована при создании ближнепольных магнитных систем передачи информации.
Известна конструкция магнитной антенны и метод генерирования магнитных полей (Патент США №20090322640 А1, «Magnetic antenna apparatus and method generating a magnetic field», опубликован 2009.12.31). Конструкция магнитной антенны включает трансформатор на тороидальном сердечнике, имеющий первичную обмотку, индуктивно связанную с вторичной обмоткой, нагруженной на магнитную антенну. Первичная обмотка подключается к усилителю мощности с высоким выходным напряжением и низким выходным током, а вторичная обмотка с низким выходным напряжением и высоким выходным током подключается к магнитной антенне. Параметры первичной и вторичной обмоток подбираются таким образом, чтобы выполнялось согласование усилителя мощности с передающей магнитной антенной, причем первичная обмотка содержит больше витков, чем вторичная обмотка, а толщина провода вторичной обмотки больше, чем первичной. Недостатком данного технического решения является использование в конструкции тороидального трансформатора, который в случае реализации антенн высокой мощности характеризуется большими массогабаритными параметрами, высокой стоимостью и сложностью изготовления.
Известна также конструкция антенны системы ближнепольной магнитной связи (Патент РФ №175975 U1, «Антенна системы ближнепольной магнитной связи», опубликован 2017.12.25). Антенна содержит трансформатор на тороидальном сердечнике, магнитную рамку и конденсатор. Первичная обмотка трансформатора соединена с выходом усилителя мощности системы ближнепольной магнитной связи, а его вторичная обмотка подключена через конденсатор к магнитной рамке. Емкость конденсатора и индуктивность магнитной рамки выбраны таким образом, что резонансная частота образованного ими последовательного колебательного контура соответствует центральной частоте системы связи, а ширина полосы пропускания антенны соответствует ширине спектра полезного сигнала. Описанная конструкция взята за прототип. Недостатком конструкции прототипа является использование в ней тороидального трансформатора, что затрудняет практическую реализацию антенны с большими значениями электрического тока в магнитной рамке, так как при этом резко возрастают габариты, масса и стоимость трансформатора.
Задачей предлагаемого технического решения является создание передающей антенны для системы ближнепольной магнитной связи с возможностью формирования в антенне больших электрических токов без использования крупногабаритных намоточных изделий.
Данная задача решается за счет того, что передающая антенна для системы ближнепольной магнитной связи, содержащая магнитную рамку, дополнительно содержит два конденсатора С1 и С2, образующие с рамкой параллельный колебательный контур с разделенной емкостью [1]. Емкость конденсатора С2 больше емкости конденсатора С1, а выход усилителя подключается параллельно конденсатору С2. За счет явления параллельного резонанса достигается повышение тока в магнитной рамке, при этом ток, протекающий через элементы усилителя мощности, снижается. Изменением параметров колебательного контура достигается согласование выходного сопротивления усилителя мощности и магнитной антенны. Реализация предложенной электрической схемы в сочетании с использованием элементов колебательного контура с низкими потерями позволяет значительно повысить эффективность работы антенны в целом.
Заявленное техническое решение поясняется чертежом, где изображена предложенная передающая антенна для системы ближнепольной магнитной связи.
Передающая антенна для системы ближнепольной магнитной связи имеет магнитную рамку (1), подключенную параллельно к силовым высокодобротным высокочастотным конденсаторам С2 (2) и С1 (3). Индуктивность магнитной рамки (1) и емкости конденсаторов (2) и (3) образуют параллельный колебательный контур с разделенной емкостью. В качестве проводника магнитной рамки выбирается преимущественно литцендрат, подключаемый низкоомными зажимами напрямую к зажимам конденсаторов (2) и (3). Конденсаторы (2) и (3) соединяются низкоомным соединителем напрямую. Емкость конденсатора С2 (2) больше емкости конденсатора С1 (3). Выход (4) усилителя мощности, являющегося инвертором тока, подключается параллельно емкости С2 (2). Геометрия магнитной рамки (1) определяется областью применения антенны, после чего расчетным или опытным путем находится ее индуктивность. Величины емкостей С1 и С2 выбираются таким образом, чтобы резонансная частота колебательного контура совпадала с центральной частотой работы системы связи, а коэффициент включения р=С/С2, где С=С1С2/(С1+С2), соответствовал условиям передачи максимума мощности усилителя в антенну [1].
Передающая антенна для системы ближнепольной магнитной связи работает следующим образом.
Выходной сигнал от усилителя мощности (4) поступает на параллельный колебательный контур с разделенной емкостью, образованный индуктивностью магнитной рамки (1) и емкостями (2) и (3). За счет явления параллельного резонанса ток в магнитной рамке (1) превышает ток от усилителя мощности (4), причем тепловые потери в антенне минимизируются за счет использования в параллельном контуре элементов с низкими потерями, а тепловые потери в усилителе мощности минимизируются за счет снижения протекающего через его элементы тока. Выбор коэффициента включения позволяет выполнить согласование усилителя мощности и магнитной антенны.
1/2
1/2
1/2
2
2
Приведем конкретный пример. Антенна системы ближнепольной магнитной связи имеет индуктивность L=2,8 мкГн; емкость C1=1 мкФ; емкость С2=9 мкФ. Тогда С=С1С2/(С1+С2)=0,9 мкФ; коэффициент включения, требуемый для оптимального согласования генератора с нагрузкой, р=С/С2=0,1; частота параллельного резонанса (потери в контуре значительно меньше его характеристического сопротивления) [1] f≈1/(2π(LC))≈100,3 кГц; частота последовательного резонанса f=1/(2π(LC1))≈95,1 кГц. Характеристическое сопротивление r=(LC)≈1,8 Ом; эквивалентное сопротивление потерь, измеренное на практике, R=20 мОм. Откуда добротность Q=r/R≈88,2; полоса пропускания по уровню -3 дБ - Δf=f/Q≈1,1 кГц. Таким образом, низкоомное сопротивление R преобразовывается в высокоомное pr/R≈1,6 Ом, а ток в контуре выше в Qp≈8,8 раз, за счет чего достигается положительный эффект.
Из приведенного примера видно, что за счет использования явления параллельного резонанса в контуре с разделенной емкостью реализуется разделение сильноточной цепи магнитной рамки и слаботочной цепи усилителя мощности, в следствие чего существенно снижаются тепловые потери. Кроме того, реализуется возможность согласования выходного сопротивления усилителя мощности и передающей магнитной рамки путем изменения коэффициента включения.
Список источников
1. Атабеков, Г.И. Основы теории цепей. Учебник для вузов. М., «Энергия», 1969, 424 с.