АНТЕННА МАЛОГАБАРИТНАЯ ЕМКОСТНАЯ С СОГЛАСУЮЩЕЙ КАТУШКОЙ ИНДУКТИВНОСТИ
SMALL-SIZE CAPACITIVE ANTENNA WITH MATCHING INDUCTANCE COIL

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано при создании малогабаритных антенных устройств для аппаратуры связи и передачи данных в СВ, KB и УКВ диапазонах частот.
Как известно, применение в радиосвязи коротковолновых и ультракоротковолновых полноразмерных (полуволновых) антенн зачастую связано с трудностями, обусловленными их большими размерами. Так, например, полуволновой диполь, настроенный на частоту 2 МГц, имеет длину около 75 метров. К тому же, для его эффективной работы необходима большая высота установки антенны относительно земли, что во многих случаях является неприемлемым.
Малогабаритные укороченные (в электрическом смысле) антенны, обычно применяемые в мобильной радиосвязи, имеют малый коэффициент полезного действия при излучении и небольшой коэффициент усиления при приеме. Это существенно уменьшает реальную дальность радиосвязи.
Более эффективными по сравнению с укороченными являются емкостные антенны (см., например, патент: Индуктивно-емкостная антенна, Россия, №2383974, H01Q 9/00, 05.09.2008). Антенна содержит два основных элемента, один из которых выполнен в виде плоской катушки индуктивности, а другой - в виде токопроводящей поверхности на диэлектрической трубе, выполняющей функцию конденсаторной обкладки. Недостатком такой антенны является сложность конструкции, что затрудняет ее применение на мобильных средствах радиосвязи.
Наиболее близким аналогом является «Coaxial inductor and dipole EH antenna» (Патент США № US 6956535 B2 от 18.10.2005). Эта известная антенна, взятая за прототип, содержит емкостной элемент в виде двух соосно расположенных токопроводящих цилиндров и катушку индуктивности, соединенных таким образом, что в совокупности они образуют колебательный контур, настроенный на частоту излучаемого или принимаемого сигнала. Недостатками такой антенны является невозможность реализовать в полной мере потенциал антенны при излучении, а также сложность согласования ее с фидерной линией.
Целью изобретения является увеличение коэффициента полезного действия антенны при излучении, а также повышение оперативности и упрощение методики согласования антенны с волновым сопротивлением фидерной линии в процессе работы.
Технический результат достигается тем, что:
- с целью увеличения коэффициента полезного действия (КПД) антенны при излучении изменены точки подключения токопроводящих цилиндров;
- с целью повышения оперативности и упрощения методики согласования антенны с фидерной линией применена согласующая катушка индуктивности специальной конструкции, позволяющая изменять входной импеданс антенны в процессе работы.
На чертежах изображено:
фиг.1 - конструкция малогабаритной емкостной антенны с согласующей катушкой индуктивности, где цифрами обозначено:
1 - цилиндрическое основание, выполненное из радиопрозрачного диэлектрика (например, из стеклотекстолита или полипропилена), на котором монтируются все составные элементы антенны;
2 - обкладки емкостного элемента антенного контура, выполненные в виде цилиндрических токопроводящих поверхностей (например, из медной фольги);
3 - катушка индуктивности антенного контура;
4 - согласующая катушка индуктивности для согласования входного импеданса антенны с волновым сопротивлением фидерной линии;
5 - каркас согласующей катушки индуктивности, имеющий винтообразную круговую канавку на поверхности для укладки витков медного провода, выполненный из упругого диэлектрика (например, из силикона);
6 - верхний неподвижный диэлектрический фланец с резьбовой вставкой;
7 - резьбовая вставка;
8 - нижний подвижный диэлектрический фланец;
9 - диэлектрическая шпилька с резьбой;
10 - привод вращения диэлектрической шпильки;
фиг.2 - распределение токов смещения в пространстве вокруг емкостной антенны, где цифрами обозначено:
1 - ток проводимости;
2, 3 - токи смещения;
4 - ток поляризации;
5 - магнитное поле;
фиг.3 - распределение токов смещения в пространстве при разных способах подключения емкостного элемента.
Антенна малогабаритная емкостная с согласующей катушкой индуктивности (емкостные антенны см.: Айзенберг Г.З. и др. Антенны УКВ. Часть 1. М.: Связь, 1977, стр.82), выполненная на цилиндрическом основании 1, состоит из развернутого в пространстве емкостного элемента 2, образованного двумя цилиндрическими токопроводящими поверхностями, например, из медной фольги. Последовательно с ним включена катушка индуктивности 3, образующая с емкостным элементом 2 колебательный контур (антенный контур), настроенный на частоту излучаемого или принимаемого электромагнитного сигнала (см. фиг.1). К антенному контуру с помощью согласующей катушки индуктивности 4 подключена фидерная линия, питающая антенну.
При излучении по фидерной линии, электрически согласованной с антенной, от передатчика подводится напряжение сигнала высокой частоты. На резонансе между развернутыми в пространстве цилиндрическими обкладками емкостного элемента возникает переменное напряжение высокой частоты, в Q раз превышающее по величине входное напряжение (Q - добротность антенного контура). При этом вокруг цилиндров образуется сильное высокочастотное электрическое поле, изменение которого во времени индуцирует в окружающем пространстве вихревые токи смещения (Эйхенвальд А.А. Электричество, изд. пятое, М.-Л.: Государственное издательство, 1928, первое уравнение Максвелла), формирующие высокочастотное электромагнитное поле.
Некоторая часть токов смещения остается связанной со своим источником (Айзенберг Г.З. и др. Антенны УКВ. Часть 1. М.: Связь, 1977, стр.84) поскольку циркулирует по замкнутым контурам (см. фиг.2), в которых на части пути они носят характер токов проводимости 1 (в проводнике) или токов поляризации 4 (в диэлектрике). «Связанным» токам смещения соответствует «связанная» (реактивная) мощность, которая не излучается в пространство, а рассеивается в процессе периодического обмена энергией между емкостью и индуктивностью.
Другая часть токов смещения («свободные» токи смещения) теряет связь с источником и распространяется в окружающем пространстве. «Свободным» токам смещения соответствует излученная мощность. От величины соотношения между реактивной и излученной мощностями зависит величина коэффициента полезного действия антенны (при излучении).
В антенном контуре с раскрытым емкостным элементом связанная мощность оказывается минимальной, поэтому излученная мощность и КПД антенны будут наибольшими. Кроме того, на резонансе, когда реактивное сопротивление антенного контура минимально (в идеальном случае равно нулю), потери в антенне в основном будут определяться активным (омическим) сопротивлением катушки индуктивности. Если она намотана медным проводом относительно большого сечения, а количество витков меньше некоторой предельной величины, то потери при излучении не превышают 10% и КПД антенны может достигать 90-95 процентов. В традиционных укороченных антеннах эта величина существенно меньше - 0,5-50 процентов в зависимости от частоты и конструктивного исполнения антенны.
Чтобы полностью реализовать потенциальные возможности малогабаритной емкостной антенны и получить максимально возможное значение КПД необходимо изменить положение точек подключения токопроводящих цилиндров по сравнению с прототипом. Положительный эффект, получаемый при этом, обусловлен следующим. Если фидерная линия и индуктивность антенного контура подключены как в прототипе между внутренними концами токопроводящих поверхностей, то токи смещения формируются в пространстве, во-первых, током проводимости 1, протекающим по верхней токопроводящей поверхности (см. фиг.3а, ток смещения 2), а, во-вторых, током поляризации 4, протекающим в относительно коротком диэлектрическом промежутке между цилиндрами (фиг.3а, ток смещения 3). Токи смещения, индуцируемые этими источниками, направлены встречно, поэтому суммарное поле вокруг антенны будет определяться их разностью.
Если же точки подключения перенести на внешние концы цилиндров (фиг.3b), то пространственные токи смещения будут индуцироваться токами проводимости 1 в токопроводящих цилиндрах 2 и током поляризации 4 в диэлектрике, протекающими в одном направлении. При этом токи смещения будут суммироваться, а электромагнитная энергия, излучаемая антенной, увеличится. Измерения показывают, что благодаря этому напряженность электромагнитного поля вблизи антенны возрастает на 1,5-2 дБ.
Характерной особенностью малогабаритной емкостной антенны, отличающей ее от известных видов как малоразмерных, так и других типов антенн, является то, что в электромагнитном поле, которое она формирует, векторы напряженностей электрической составляющей Е и магнитной составляющей Н оказываются синфазными во времени уже в непосредственной близости от антенны. Это подтверждено многократными приборными измерениями. Следовательно, электромагнитная волна (вектор Пойнтинга) в емкостной антенне формируется одновременно с появлением электрического поля между обкладками емкостного элемента. В других типах антенн (полноразмерных и укороченных) электромагнитная волна формируется в дальней зоне на расстоянии нескольких длин волн от излучателя. Поэтому линейные размеры емкостных антенн оказываются существенно меньше длины волны излучаемого (принимаемого) электромагнитного сигнала.
Оптимальный электрический режим работы антенны обеспечивается настройкой ее на минимум коэффициента стоячей волны (КСВ) при согласовании входного импеданса антенны с волновым сопротивлением фидерной линии. Известны разные способы согласования. Например, (Патенты США № US 6486846 В1, 26.11.2002; № US 6864849 В2, 08.03.2005) рассматривается способ согласования емкостной антенны с помощью внешних согласующих устройств, а именно моста Бушеро (Патент Германии № DE 603816, 1932). При этом для изменения параметров согласования необходимо применять переменные конденсаторы и (или) индуктивности. Однако для согласования малогабаритных емкостных антенн применение таких конденсаторов нецелесообразно из-за сильной зависимости их параметров от атмосферных воздействий и наличия в них скользящих контактов, обладающих большим и нестабильным электрическим сопротивлением. Экспериментально установлено, что увеличение активного электрического сопротивления антенного контура на десятые доли ома может приводить к снижению напряженности электромагнитного поля в пространстве на 25-30 процентов.
Применение ферромагнитного сердечника для изменения индуктивности катушки тоже нецелесообразно из-за наличия больших потерь в сердечнике на высокой частоте в режиме излучения.
Применение катушки переменной индуктивности (вариометра) в качестве согласующего элемента не оправдано, поскольку, во-первых, наличие скользящих контактов в вариометре существенно увеличивает активные потери в антенне; а, во-вторых, это может приводить к возникновению в антенне нескольких резонансов и ее расстройке.
В целях обеспечения возможности оперативной подстройки антенны по минимуму КСВ предлагается применить для согласования антенны с фидерной линией согласующую катушку индуктивности 4 (см. фиг.1) специальной конструкции, включенную последовательно с катушкой индуктивности антенного контура. Согласующая катушка выполнена на каркасе из упругого диэлектрика, имеющего винтообразную круговую канавку на поверхности, в которую уложены витки медного провода.
Согласующая катушка индуктивности располагается между жесткими диэлектрическими фланцами. Верхний фланец катушки закреплен у основания антенны ниже и соосно с катушкой индуктивности антенного контура и имеет в геометрическом центре резьбовую вставку, в которую ввинчивается диэлектрическая шпилька с резьбой. Нижний конец шпильки проходит через отверстие в нижнем подвижном фланце и механически связан с приводом вращения. Вращение шпильки приводит к перемещению нижнего фланца в осевом направлении, в результате чего происходит сжатие (растяжение) каркаса согласующей катушки. При этом изменяется расстояние между ее витками и, как следствие, меняется реактивное сопротивление согласующей катушки и входной импеданс антенны. Это позволяет осуществлять оперативную подстройку согласования антенны в процессе работы. При большой высоте антенны привод вращения может управляться дистанционно.
Инструментальная оценка параметров емкостных антенн показала, что по сравнению с другими типами малоразмерных антенн, широко применяемых на практике, они имеют следующие преимущества:
- высокий КПД (до 90-94 процентов) при излучении, тогда как у традиционных - в диапазоне 0,5-50 процентов в зависимости от длины волны и конструктивных особенностей антенны;
- существенно меньшие габариты (в 20-40 раз в зависимости от длины волны);
- меньшая зависимость от влияния поверхности земли, что позволяет снизить высоту установки антенны;
- замена стандартных антенн на малогабаритную емкостную в серийно выпускаемых мобильных УКВ радиостанциях увеличивает их реальную дальность действия в 2-2,5 раза при неизменной мощности передатчика.
Емкостная антенна, установленная на приводной радиостанции аэродрома Сельцо (Ленинградская область), проходит апробацию уже в течение трех лет. При этом нормативная дальность действия привода самолетов обеспечивается с использованием емкостной антенны, массогабаритные характеристики которой не соизмеримы с характеристиками штатной антенны, серийно выпускаемой приводной радиостанции ПАР-10, а подводимая к антенне от передатчика мощность в разы меньше, чем в ПАР-10.