РАМОЧНАЯ АНТЕННА
FRAME ANTENNA

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к антенной технике, и может найти применение в системах радиомониторинга, контроля электромагнитной обстановки, в задачах ЭМС, в системах связи.
Известна рамочная антенна (см. патент РФ №2318275, МПК H01Q 7/00, опубл. 27.02.2008, бюл. №6), содержащая многовитковую рамку, размещенную в многовитковом экране, выполненном в виде трубы с поперечным разрезом кольцевой формы, контактный элемент гальванически установлен на конец последнего витка трубы экрана и обеспечивает гальваническое соединение 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 выходом антенны.
Антенна-аналог обеспечивает расширение полосы пропускания с незначительной неравномерностью амплитудно-частотной характеристики в рабочем диапазоне частот с возможностью отсечки низкочастотных помех от сети питания с частотой 50 Гц и их гармоник.
Недостатком данного технического решения является смещение полосы рабочих частот, а также низкая действующая высота антенны.
Наиболее близким техническим решением является рамочная антенна (см. Патент РФ №2054764, МПК H01Q 7/00, опубл. 20.02.1996 г.). Она содержит многовитковую рамку, размещенную в многовитковом экране, в качестве которого использован экран коаксиального кабеля, каждый отдельный виток рамки размещен в отдельном витке экрана, а все витки экрана соединены последовательно и симметрично относительно поперечного кольцевого разреза экрана и образуют две многовитковые полурамки, на первых концах которых между центральным проводником и экраном включена нагрузка, а экраны соединены накоротко, на вторых концах центральный проводник и экран одной многовитковой полурамки соединены соответственно с экраном и центральным проводником другой полурамки.
Устройство-прототип обеспечивает некоторое увеличение действующей высоты. Однако в результате указанного подключения полурамок рабочая полоса частот смещается в нижнюю часть диапазона частот.
Целью заявленного технического решения является повышение действующей высоты антенны при сохранении местоположения рабочей полосы частот и неизменной площади рамки.
Технический результат достигается тем, что в рамочной антенне, содержащей многовитковую рамку, размещенную в многовитковом экране, в качестве которого использован экран коаксиального кабеля, каждый отдельный виток рамки размещен в отдельном витке экрана, а все витки экрана расположены симметрично относительно поперечного кольцевого разреза экрана и образуют две многовитковые полурамки, на первых концах которых между центральным проводником и экраном включена нагрузка, а экраны соединены накоротко, на вторых концах центральный проводник и экран одной многовитковой полурамки соединены соответственно с экраном и центральным проводником другой многовитковой полурамки, согласно предложенному решению, дополнительно введены трансформаторный блок, помещенный в экран, и первый и второй дополнительные экраны, выполненные в виде трубы и совпадающие по длине с полурамками, а каждый отдельный виток многовитковой рамки преобразуют в одновитковые рамки путем деления на две полурамки, в каждый из дополнительных экранов помещают соответственно первые или вторые полурамки от всех одновитковых рамок, экраны полурамок и соответствующих дополнительных экранов с обеих сторон соединяют накоротко, а экраны первых концов полурамок соединяют с экраном трансформаторного блока, центральные проводники первых полурамок на втором конце соединяют с экранами на втором конце вторых полурамок, центральные проводники вторых полурамок на втором конце соединяют с экранами первых полурамок на втором конце, на первых концах каждой из полурамок между экраном и центральным проводником включают нагрузку в виде элемента первичной трансформаторной обмотки трансформаторного блока, среднюю точку вторичной трансформаторной обмотки заземляют, а ее крайние точки являются симметричным выходом рамочной антенны.
Рамочная антенна структурно состоит из четного числа 2m отрезков коаксиального кабеля одинаковой электрической длины, каждый из которых образует полурамку. При этом внутренний проводник коаксиального кабеля является собственно полурамкой, а внешний проводник - экраном полурамки. В зависимости от диапазона рабочих частот может быть использован коаксиальный кабель типа RG 58, DG 80 и др. (см. CAVREL. Evolution in TV coaxial cables. - СПб: ЗАО «Корпорация ЛАНС», www.lans.spb.ru). Для удобства реализации многоканальных рамочных антенн удобно использовать мультикоаксиальный кабель (см. фиг. 2) типа 5 DG 80 или 9 DG 80 (см. там же).
Названные отрезки коаксиального кабеля делят на две равные группы по m проводников и прокладывают в соответствующих трубках дополнительных экранов. Выполнение этой операции эквивалентно формированию m рамочных антенн или одной с двумя многоканальными (многожильными) полурамками (вместо одной многовитковой рамки - у прототипа).
Работа заявленной рамочной антенны поясняется чертежами, на которых показаны:
на фиг. 1 - структурная схема рамочной антенны;
на фиг. 2 - вариант размещения коаксиальных кабелей в дополнительном экране;
на фиг. 3 - развернутая эквивалентная схема рамочной антенны;
на фиг. 4, а, б, в - сокращенные эквивалентные схемы рамочной антенны.
Рамочная антенна (см фиг. 1) содержит две многожильные полурамки 1.1 и 1.2, выполненные в виде трубы, и трансформаторный блок 2. В каждой из труб 1, используемых в качестве дополнительных экранов, прокладывается m, m=2, 3, …, равных по электрической длине отрезков коаксиальных кабелей (см. фиг. 2), выполняющих функцию полурамок в составе: индивидуальный экран 3 и центральный проводник 4. Экраны полурамок 3.1 и 3.2 соответствующих дополнительных экранов 1.1 или 1.2 с обеих сторон соединяют накоротко. Кроме того, экраны первых концов полурамок 1.1 или 1.2 соединяют с экраном трансформаторного блока 2. Центральные проводники 4.1.1-4.1.m от всех m первых полурамок 4 на втором конце (в поперечном разрезе 5) соединяют с экранами 3.2.1-3.2.m на втором конце вторых полурамок и вторым дополнительным экраном 1.2. Центральные проводники вторых полурамок 4.2.1-4.2.m на вторых концах (в поперечном разрезе 5) соединяют с экранами первых полурамок 3.1.1-3.1.m первым дополнительным экраном 1.1.
На первых концах каждой из полурамок между экраном 3 и центральным проводником 4 включают нагрузку 6 в виде элемента первичной трансформаторной обмотки трансформаторного блока 2. Среднюю точку вторичной трансформаторной обмотки 7 заземляют, а крайние точки 8.1 и 8.2 вторичной обмотки 7 являются симметричным выходом рамочной антенны.
Перекрестное подключение полурамок в поперечном разрезе 5 с одной стороны обеспечивает дополнительное увеличение действующей высоты антенны (основное увеличение достигается многоканальностью рамки). Положительный эффект является следствием увеличения электрической длины полурамок благодаря использованию проводящей поверхности дополнительных экранов 1.1 и 1.2. С другой стороны, такое подключение призвано бороться с несимметричностью полурамок, возникающей из-за влияния на них окружающих предметов, и как следствие - антенным эффектом (см. Бова Н.Т., Резников Г.Б. Антенные устройства СВЧ. - Киев: Виша школа, стр. 182-185, 1997 г.).
Падающее на рамочную антенну электромагнитное поле Ε наводит на наружной поверхности экранов 3 полурамок ЭДС. В результате этого на поперечном кольцевом разрезе 5 возникает разность потенциалов, под воздействием которой на центральных проводниках 4 полурамок возникает ток. Данные токи от всех m рамочных антенн аккумулируются в трансформаторном блоке 2.
Рассмотрим названные операции более подробно на примере эквивалентных схем (см. фиг. 3 и 4). На полной эквивалентной схеме рамочной антенны (см. фиг. 3) приняты следующие обозначения:
p
z - входное сопротивление разрезной рамки, образованной трубками 1.1 и 1.2;
p
ε - ЭДС, наводимая на верхнем (втором) конце каждого коаксиального кабеля;
ρ - волновое сопротивление коаксиального кабеля;
<mrow><mi>β</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><msqrt><mi>ε</mi></msqrt><mo>/</mo><mi>λ</mi></mrow>
γ - постоянная распространения γ=α+iβ, α - затухание,
- волновое число; 1 - длина коаксиального кабеля.
p
p
Пересчет z u ε к входным первичным обмоткам трансформаторного блока 2 позволяет преобразовать эквивалентную схему на фиг. 3 к виду, представленному на фиг. 4а (см. Гавеля Н.П. и др. Под ред. Ю.К. Муравьева. Антенны. Часть 1. - Л.: ВКАС, стр. 521).
где th(x), sh(x), ch(x) - гиперболические функции от x.
Поскольку в рабочем диапазоне частот выражения (1) и (2) можно упростить
<mrow><msubsup><mi>z</mi><mi>p</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mi>p</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>z</mi><mi>p</mi><mo>"</mo></msubsup><mo>=</mo><msup><mi>n</mi><mn>2</mn></msup><msubsup><mi>z</mi><mi>p</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mi>p</mi><mo>"</mo></msubsup><mo>=</mo><mi>n</mi><msubsup><mi>ε</mi><mi>p</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow>
Пересчитывая
и
к выходным обмоткам трансформаторного блока 2, получим эквивалентную схему рамочной антенны, изображенную на фиг. 4б. Здесь
,
.
Объединяя все эквивалентные генераторы ЭДС в один и учитывая (3), получим
где N=2m - число входных обмоток трансформаторного блока 2 (см. фиг. 4в).
a
g
g
Поскольку ε=Eh, где h - действующая высота разрезной рамочной антенны, то мощность, отдаваемая антенной в согласованную нагрузку, определится из выражения
.
<mrow><msqrt><mi>N</mi></msqrt></mrow>
p
Можно видеть, что действующая высота предлагаемой разрезной рамки увеличивается в
раз при сохранении ее габаритов. Следует отметить, что коэффициент трансформации n на действующую высоту h не влияет и может подбираться исключительно в интересах наилучшего согласования.