Антенна системы ближнепольной магнитной связи

Техническое решение относится к технике связи, а более конкретно, предназначено для формирования переменного магнитного поля магнитной антенной в составе передатчика системы ближнепольной магнитной связи.
Известна конструкция широкополосной многопетлевой магнитной антенны со слабосвязанными элементами [Патент USA №20130072117 А1, опубликован 2013.03.21]. Конструкция магнитной антенны включает две или более частично перекрывающиеся резонансные магнитные рамки, для возбуждения которых используется один или несколько источников высокочастотной мощности. Магнитные рамки расположены вокруг одной общей центральной точки, причем расстояние от общей центральной точки до центров каждой из рамок одинаково. Каждая резонансная магнитная рамка имеет собственную резонансную частоту и точной настройкой взаимоиндукции, определяющей связь между рамками, добиваются требуемой ширины полосы частот антенны. При этом использование резонансных магнитных рамок с высокой добротностью в конструкции антенны обеспечивает относительно высокое значение магнитного момента, создаваемого магнитной антенной.
Недостатком такого решения является сложность конструкции, включающей несколько магнитных рамок, и требующей их точной настройки для обеспечения необходимой полосы частот системы связи.
Известна конструкция низкочастотной передающей магнитной антенны [Патент USA №20140314129 А1, опубликован 2014.10.23]. Конструкция магнитной антенны включает по крайней мере две сильно связанные магнитные рамки, сигнал для каждой из которых формируется отдельным мостовым усилителем мощности с широтно-импульсной модуляцией. Заявленная конструкция обеспечивает широкую полосу частот и относительно высокое значение магнитного момента антенны.
Недостатком такой конструкции является ее сложная реализация, требующая отдельного усилителя мощности для каждой магнитной рамки антенны.
Известна конструкция магнитной антенны (взятая за прототип) и метод генерирования магнитных полей [Патент USA №20090322640 А1, опубликован 2009.12.31]. Конструкция магнитной антенны включает усилитель мощности, трансформатор на тороидальном сердечнике и передающую магнитную рамку. Причем первичная обмотка трансформатора подключается к усилителю мощности, а его вторичная обмотка подключается к магнитной рамке для генерирования магнитного поля. Достоинством заявленной конструкции является отсутствие ограничений на ширину полосы пропускания антенны, снижение требований к усилителю мощности и повышение электрического тока во вторичной цепи трансформатора, включающей передающую магнитную рамку.
Недостатком такой конструкции является сравнительно небольшая величина магнитного момента, создаваемого антенной. Магнитный момент магнитной рамки, входящей в состав антенны, определяется произведением ее площади, числа витков и величины протекающего в проводниках рамки электрического тока. Величина магнитного момента антенны определяет дальность действия ближнепольной системы связи. Для увеличения магнитного момента и, как следствие, увеличения дальности работы системы связи при ограниченной площади рамки стремятся увеличить ток и число витков в ней. В конструкции прототипа вторичная обмотка трансформатора напрямую соединяется с магнитной рамкой. Увеличение числа витков рамки увеличивает ее магнитный момент, при этом также увеличивается и ее импеданс. А увеличение импеданса, в свою очередь, приводит к снижению протекающего в магнитной рамке электрического тока и, как следствие, к снижению ее магнитного момента.
В основу предлагаемого технического решения положена задача повышения дальности работы системы ближнепольной магнитной связи за счет увеличения текущего в магнитной рамке тока и увеличения магнитного момента антенны.
Данная задача решается тем, что в антенне системы ближнепольной магнитной связи, содержащей магнитную рамку и трансформатор на тороидальном сердечнике, первичная обмотка которого подключена к выходу усилителя мощности системы ближнепольной магнитной связи, а вторичная обмотка подключена к магнитной рамке, согласно новому техническому решению, последовательно с магнитной рамкой дополнительно включен конденсатор, емкость которого и индуктивность магнитной рамки выбраны таким образом, что резонансная частота образованного ими последовательного колебательного контура соответствует центральной рабочей частоте системы ближнепольной магнитной связи, а его нагруженная добротность соответствует ширине полосы частот для передачи полезного сигнала без искажений.
На фиг. 1 схематично представлена заявляемая антенна системы ближнепольной магнитной связи.
Антенна системы ближнепольной магнитной связи содержит трансформатор на тороидальном сердечнике 1, к первичной обмотке 2 которого подключен усилитель мощности ближнепольной системы связи. Нагрузкой вторичной обмотки 3 трансформатора является резонансный контур, образованный конденсатором 4 и магнитной рамкой 5. Величина емкости конденсатора 4 и величина индуктивности магнитной рамки 5 выбраны таким образом, что резонансная частота образованного ими последовательного колебательного контура соответствует центральной рабочей частоте системы связи, а ширина полосы пропускания антенны соответствует необходимой ширине полосы частот для передачи полезного сигнала без искажений.
Антенна системы ближнепольной магнитной связи работает следующим образом. Аналоговый сигнал на несущей частоте от усилителя мощности системы ближнепольной магнитной связи поступает на вход первичной обмотки 2 трансформатора на тороидальном сердечнике 1. Сигнал со вторичной обмотки 3 трансформатора поступает на резонансный контур, образованный конденсатором 4 и магнитной рамкой 5. За счет явления последовательного резонанса во вторичной цепи трансформатора удается снизить импеданс и, следовательно, увеличить ток. Увеличение тока в магнитной рамке 5 приводит к увеличению магнитного момента антенны и увеличению дальности работы системы ближнепольной магнитной связи.
-2
Приведем конкретный пример. Несущая частота системы ближнепольной магнитной связи - 10 кГц, ширина спектра полезного сигнала - менее 200 Гц. Для передачи информации с мобильного объекта используется квадратная магнитная рамка размерами 350×350 мм. Пусть исходная магнитная рамка содержит три витка медного провода прямоугольного сечения 4×2 мм. Измеренная индуктивность рамки - 10 мкГн, эквивалентное сопротивление потерь на частоте 10 кГц - 20 мОм. Величина емкости найдена из формулы Томсона, связывающей период колебаний в контуре с его емкостью и индуктивностью С≈25,3 мкФ [Атабеков, Г.И. Основы теории цепей. Учебник для вузов. М., «Энергия», 1969, 424 с.]. Тангенс угла потерь полипропиленового конденсатора на рабочей частоте менее 10, поэтому потери колебательного контура определяются в первую очередь потерями в индуктивной рамке. Добротность колебательного контура Q≈30, откуда ширина полосы пропускания Δ≈330 Гц, что превышает требуемую полосу частот 200 Гц. Увеличение числа витков магнитной рамки до шести, приводит к увеличению индуктивности до 35 мкГн и увеличению сопротивления потерь в магнитной рамке до 50 мОм. Величина емкости для резонанса на частоте 10 кГц: С≈7,3 мкФ. Добротность колебательного контура Q≈45, ширина полосы пропускания Δ≈220 Гц, что удовлетворяет исходным требованиям с запасом. На параметры колебательного контура влияет индуктивность и потери во вторичной обмотке трансформатора, поэтому точное значение емкости подбирают опытным путем при макетировании антенны. Импеданс нагрузки вторичной обмотки трансформатора (импеданс магнитной рамки) без конденсатора на рабочей частоте составляет ~2 Ом, за счет добавления конденсатора и явления последовательного резонанса удается снизить импеданс нагрузки в Q раз и, как следствие, увеличить ток в магнитной рамке. Таким образом, в данном примере за счет явления последовательного резонанса удается увеличить магнитный момент рамки путем увеличения числа витков рамки и текущего в рамке тока.
Заявляемая полезная модель позволяет решить поставленную задачу, т.е. повысить магнитный момент антенны системы ближнепольной магнитной связи и увеличить дальность ее работы. Техническим результатом заявленного решения является увеличение дальности работы системы ближнепольной магнитной связи за счет увеличения тока в магнитной рамке.