CZ289371B6 - Elektromagnetická anténa - Google Patents

Abstract

Elektromagnetick ant na zahrnuje toroidn j dro a mno inu vodiv²ch smy ek (27.1) prob haj c ch kolem toroidn ho j dra, p°i em rovina proch zej c ka dou z vodiv²ch smy ek (27.1) se k° s toroidn m j drem, p°i em elektromagnetick ant na d le zahrnuje v²vody (S1, S2) pro veden sign lu, p°i em ka d jedna z vodiv²ch smy ek (27.1) je elektricky zapojena do paraleln kombinace s ka dou z ostatn ch vodiv²ch smy ek (27.1) a je spojena s v²vody (S1, S2) pro nesen sign lu.\

Description

Vynález se týká toroidní antény s vodivými smyčkami kolem toroidního jádra.

Dosavadní stav techniky

Účinnost antény při určité frekvenci buzení je přímo úměrná účinné elektrické délce, která závisí na rychlosti šíření signálu dané dobře známou rovnicí:

X = C/f, kde C je rychlost světla ve vakuu, λ je vlnová délka a f je frekvence.

Jak je to známé, elektrická délka antény by měla být tvořena jednou vlnovou délkou, jednou polovinou vlnové délky (dipól) nebo jednou čtvrtinou vlnové délky se zemní plochou za účelem minimalizace všech, avšak skutečných impedancí antény. V případě, že tyto charakteristiky nejsou splněny, potom impedance antény mění tvořící se stojaté vlny na anténě a anténním napáječi (přenosovém vedení), což způsobuje modifikaci poměru stojatých vln a celkových produkčních energetických ztrát a snižuje množství vyzařované energie.

Typická vertikální prutová anténa (monopol) má všesměrový vertikální polarizovaný diagram, a tato anténa může být při vysokých frekvencích, jakými jsou velmi vysoké frekvence (UHF), poměrně malé rozměry. Avšak při nižších frekvencích se velikost antény stává problematickou, poněvadž při těchto frekvencích jsou žádoucí velmi dlouhá vedení a vysoké stožáry používané v pásmech nízkých frekvencí (LF) a středních frekvencí (MF). Přenosové kvality ve velkém dosahu jsou v pásmech nižší frekvence výhodné, avšak anténa, zejména směrová anténní soustava může být v případě kompaktního přenosného vysílače rozměrná. Dokonce i při vysokých frekvencích může být výhodné, aby anténa měla fyzicky menší rozměry při stejné účinnosti a výkonu jako u konvenčního monopolu a dipólu.

V poslední době byly vyzkoušeny rozdílné techniky za účelem vytvoření kompaktní antény se směrovými charakteristikami, zejména antény s vertikální polarizací, u které bylo zjištěno, že je účinnější (delší dosah) než anténa s horizontální polarizací. Důvodem této skutečnosti je to, že anténa s horizontální polarizací má větší ztráty přízemních vln.

Pokud jde o směrové charakteristiky, bylo zjištěno, že s jistými konfiguracemi antény je možné potlačit magnetické pole produkované v anténě zejména polarizací a současně zvýšit elektrické pole, které je kolmé k magnetickému poli. Podobně je možné potlačit elektrické pole a současně zvýšit magnetické pole.

V oblasti techniky týkající se elektromagnetických polí je dobře známý princip ekvivalence, který uvádí, že dva zdroje vytvářející stejné pole uvnitř dané oblasti jsou považovány za rovnocenné a že tato rovnocennost se projevuje mezi zdroji elektrického proudu a odpovídajícími zdroji magnetického proudu. To je vysvětleno v části 3-5 dokumentu publikovaném v roce 1961 pod názvem „Time Harmonie Electromagnetic Fields“ od R. F. Harringtona. V případě lineárního dipólového prvku, který nese lineární elektrické proudy, je ekvivalentní magnetický zdroj dán kruhovým azimutálním prstencem magnetického proudu. Jedním z obvyklých způsobů vytvoření lineárního magnetického proudu je solenoid elektrického proudu. Jedním ze způsobů vytvoření žádoucího kruhového azimutálního prstence magnetického proudu je solenoid elektrického proudu uspořádaný na toroidním povrchu.

-1CZ 289371 B6

Toroidní šroubovicová anténa zahrnuje šroubovicový vodič navinutý na toroidním jádru, přičemž tato anténa má charakteristiky radiační elektromagnetické energie v konfiguraci, která je podobná konfiguraci elektrického dipólu, a její osa je kolmá ke středu toroidního jádra a soustředná se středem toroidního jádra. Efektivní impedance přenosu po vedení šroubovicového vodiče zpomaluje vzhledem k šíření vln ve vzduchoprázdnu šíření vln z vodičového napájejícího bodu kolem šroubovicové struktury. Tato snížená rychlost a kruhový proud uvedené struktury umožňuje konstruovat toroidní anténu o stejné velikosti, jakou má odpovídající rezonanční dipól (lineární anténa), nebo o velikosti menší, než jakou má uvedený dipól. Toroidní struktura má nízký stranový poměr, poněvadž toroidní šroubovicová struktura je fyzicky menší než struktura jednoduchého rezonančního dipólu, avšak má stejné elektrické radiační vlastnosti. Jednoduchá jednofázová konfigurace poskytuje radiační profil srovnatelný s dipólem o poloviční vlnové délce, avšak má mnohem menší provedení.

V této souvislosti v patentovém dokumentu US 4,622,558 a 4,751,515 jsou diskutována jistá hlediska toroidních antén jako techniky pro vytvoření kompaktní antény výměnou za konvenční toroidní anténu se strukturou s vlastní rezonancí, přičemž tato kompaktní anténa vytváří vertikálně polarizované záření, jež se šíří tak, že dochází k nižším ztrátám v případě šíření tohoto záření nad zemí. Jak to bylo uvedeno v předcházejícím textu při nízkých frekvencích jsou vertikální lineární samo-rezonanční struktury popsané v těchto dokumentech nějakým způsobem částečně řeší problém fyzické velikosti a elektrické nedostatečnosti vertikálních prvků při nízkých frekvencích.

Ve výše uvedených patentových dokumentech je nejprve popsána jednovláknová toroidní šroubovice jako stavební blok pro složitější směrové antény. Tyto antény mohou obsahovat množinu vodivých drah napájených signálem, který je vzhledem k fázi regulován buď vnějšími pasivními obvody nebo díky specifickým samo-rezonančním charakteristikám. V těchto patentových dokumentech je obecně popsáno použití tzv. protivinutých toroidních vinutí pro poskytnutí vertikální polarizace. Tato protivinutá toroidní vinutí mají neobvyklé provedení, které má pouze dva vývody, jak je to popsáno v dokumentu IRE Transaction on Electron Devices, říjen 1956, str. 190, ve stati „Modifíed Contra-Wound Helix Circuits for High-Power Traveling Wave Tubes“, Birdsall, C.K., and Everhart, T.E. V uvedených dokumentech je upozorněno na rozdíl mezi magnetickými a elektrickými poli/proudy a odhadnuto, že stupňovité uspořádání dvou jednovláknových obvodů, které jsou vzájemně protivinuté na toroidní vertikálně polarizované anténě, může být vytvořeno použitím vstupních jednotek se vstupy pro dva signály. Základem struktury je lineární šroubovice, pro kterou byly navrženy konstrukční rovnice firmou Kondoian & Sichak v roce 1953 (viz patentový dokument US 4,622,558).

V dokumentech zastupujících dosavadní stav techniky, např. ve výše uvedených dokumentech, jsou elementární toroidní struktury uváděny jako elementární stavební bloky pro složitější struktury, jakými jsou např. dvoutoroidní struktury orientované pro simulování protivinutých struktur. Např. ve výše uvedených patentových dokumentech je popsán torus (složitý a jednoduchý), který je určen ktomu, aby měl celistvý počet vedených vlnových délek kolem obvodu vymezeného malou osou torusu.

Jednoduchá toroidní anténa, např. toroidní anténa v jednovláknovém provedení, reaguje na jak elektrické tak i magnetické složky vstupních (přijímaných) nebo výstupních (přenášených) signálů. Naproti tomu toroidní anténa s vícevláknovým provedení (v provedení s množinou vinutí) může mít stejný smysl maximální hodnoty nebo rozdílný smysl maximální hodnoty v oddělených vinutích na samostatných toroidních jádrech, což umožňuje získat směrovou anténu a regulaci polarizace. Jedno provedení šroubovice má strukturu prstence a můstku, přičemž tato struktura vykazuje některé, avšak ne všechny kvality základní konfigurace s protivinutým vinutím.

Jak je to známé, lineární solenoidová cívka vytváří magnetické pole podél středové osy. Směr magnetického pole je stanoven podle pravidla pravé ruky, které spočívá v tom, že, jestliže vrstvy

-2CZ 289371 B6 pravé ruky jsou zakřiveny směrem dovnitř dlaně a směřují ve směru kruhového proudu v solenoidu, potom směr magnetického poleje stejný jako směr palce v případě, že palec probíhá paralelně s osou, kolem které jsou prsty pravé ruky zakřiveny. V případě použití tohoto pravidla pro solenoidní cívky navinuté v pravostranném smyslu, tj. ve smyslu pravostranného závitu, jak elektrický proud tak i výsledné magnetické pole mají stejný směr, avšak u cívky navinuté v levostranném smyslu má elektrický proud opačný směr než výsledné magnetické pole. Magnetické pole vytvořené solenoidní cívkou je někdy označováno jako magnetický proud. Spojením pravostranné a levostranné cívky na stejné ose a napájením individuálních cívkových prvků opačně vedenými proudy je čistý elektrický proud účinně snížen na nulu, zatímco čisté magnetické poleje vzhledem k původnímu magnetickému poli samotné jediné cívky zdvojeno.

Jak je to rovněž známé, souměrným elektrickým přenosovým vedením napájeným sinusovým střídavým proudem a zakončeným zatěžovací impedancí se šíří ze zdroje napájení ke zdroji proudové vlny. Tyto vlny se při zátěži odráží a nato se šíří zpět ke zdroji, přičemž čisté rozdělení proudu na přenosovém vedení je zjištěno ze součtu složek dopadajících a odražených vln a může být charakterizováno jako stojaté vlny na přenosovém vedení. V případě souměrného přenosového vedení jsou proudové složky v každém vodiči v libovolném daném bodě podél vedení rovné, co se týče velikosti, avšak mají opačnou polaritu, což je rovnocenné se současně probíhajícím šířením opačně polarizovaných vln o stejné velikosti podél samostatných vodičů. Podél daného vodiče je šíření proudu skladným znaménkem v jednom směru rovnocenné se šířením proudu se záporným znaménkem v opačném směru. Relativní fáze dopadajících a odražených vln závisí na impedanci zatěžovacího prvku Z_L. Pro I_o = dopadající proudový signál a li = odražený proudový signál je odrazivost pí definována jako:

Poněvadž dopadající a odražené proudy se šíří v opačných směrech, rovnocenný odražený proud, I/ = - li udává velikost odraženého proudu s ohledem na směr dopadajícího proudu IoPodstata vynálezu

Předmětem vynálezu je elektromagnetická anténa, která zahrnuje toroidní jádro, množinu vodivých smyček a dva vývody pro vedení signálu, přičemž uvedené vodivé smyčky probíhají kolem uvedeného toroidního jádra, přičemž rovina procházející každou z uvedených smyček se kříží s uvedeným toroidním jádrem, přičemž konce všech uvedených smyček, které jsou nejblíže ke středu hlavní osy uvedeného toroidního jádra, jsou společně spojeny s jedním z uvedených vývodů pro vedení signálů a zbývající konce všech uvedených smyček, které jsou nejvíce vzdáleny od uvedeného středu, jsou společně spojeny s druhým z uvedených vývodů pro vedení signálů, přičemž každá jedna z uvedených smyček je elektricky zapojena do paralelní kombinace s každou z ostatních uvedených smyček. K uvedeným dvěma vývodům je připojen jednopólový zdroj signálu. Poněvadž jsou uvedené smyčky elektricky paralelně zapojeny, magnetická pole vytvořená všemi uvedenými smyčkami jsou ve fázi a proto vytvářejí kvazirovnoměmé azimutové pole, což vede k vertikálně polarizovanému všesměrovému záření.

Za účelem zvýšení počtu uvedených vodivých smyček jsou individuálně vodivé smyčky výhodně tvořeny kontinuálními vodivými povrchy pokrývajícími uvedené toroidní jádro, přičemž v těchto

-3CZ 289371 B6 vodivých površích mohou být vytvořeny štěrbiny za účelem ještě většího zvýšení počtu vodivých smyček.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude lépe pochopen z popisu příkladů provedení vynálezu, přičemž v tomto popise budou činěny odkazy na přiložené výkresy, na kterých obr. 1 zobrazuje všesměrovou anténu s poloidními smyčkami podle vynálezu, obr. 2 zobrazuje boční pohled na jednu ze smyček antény z obr. 1, obr. 3 zobrazuje náhradní obvod smyčkové antény, obr. 4 zobrazuje boční pohled na jednu smyčku ve čtvercovém provedení, obr. 5 zobrazuje v částečném řezu anténu s válcovými smyčkami, obr. 6 zobrazuje řez vedený podél linie 32-32 z obr. 5 se směry proudů ve vinutích, obr. 7 zobrazuje částečný pohled na štěrbiny vytvořené vtoroidu pro ladění a pro vytvoření konfigurace podobné konfiguraci s poloidními smyčkami, obr. 8 zobrazuje toroidní anténu s toroidním jádrovým ladicím obvodem, obr. 9 zobrazuje náhradní elektrický obvod pro anténu z obr. 8, obr. 10 zobrazuje řez toroidní anténou s laděním pomocí středového kondenzátoru, obr. 11 zobrazuje řez alternativním provedením antény z obr. 10, obr. 12 zobrazuje alternativní provedení s laděním pomocí nastavitelného kondenzátoru, obr. 13 zobrazuje půdorysný pohled na obdélníkovou toroidní anténu pro rozšíření šířky pásma antény a se štěrbinami pro ladění a vytvoření konfigurace podobné konfiguraci s poloidními smyčkami, obr. 14 zobrazuje řez vedený podél linie 40-40 z obr. 13, obr. 15 zobrazuje půdorysný pohled na alternativní provedení antény z obr. 13 mající šest stran se štěrbinami pro ladění a napodobení poloidní konfigurace, obr. 16 zobrazuje řez vedený podél linie 42-42 z obr. 15.

Příklady provedení vynálezu

Jak je to zřejmé z obr. 1 elektromagnetická anténa podle vynálezu zahrnuje toroidní jádro (není zobrazeno), množinu N vodivých poloidních smyček 27.1, které probíhají kolem uvedeného toroidního jádra a jsou vzájemně rovnoměrně odsazeny podél obvodu uvedeného toroidního jádra, přičemž rovina procházející každou z poloidních smyček se kříží s uvedeným toroidním jádrem. Části každé smyčky nejvíce blízké středu vzhledem k velkému poloměru toroidního jádra jsou společně spojeny při vývodu S1 signálu, zatímco zbývající části každé smyčky nejvíce vzdálené od uvedeného středu jsou společně spojeny při vývodu S2 signálu. V případě, že

-4CZ 289371 B6 individuální smyčky jsou vzájemně identické, potom mohou mít libovolný tvar, např. kruhový tvar, jak je to zřejmé z obr. 2, nebo obdélníkový tvar, jak je to zřejmé z obr. 4. Elektrický ekvivalentní obvod pro tuto konfiguraci je zobrazen na obr. 3. Každý z individuálních smyčkových segmentů pracuje jako konvenční smyčková anténa. V kombinované struktuře uvedené individuální smyčky jsou uvedeny do paralelní kombinace, takže výsledné složky magnetického pole takto vytvořené v každé smyčce jsou ve fázi a azimutově směrovány vzhledem ktoroidnímu jádru, což vede k azimutově stejnoměrnému prstencovému magnetickému proudu. Za účelem porovnání je uvedeno, že v protivinuté toroidní šroubovicové anténě jsou pole z toroidních částí protivinutých šroubovicových vodičů zrušena, jako kdyby tyto části neexistovaly, přičemž zůstávají pouze příspěvky zpoloidních částí uvedených vodičů.

V provedení antény zobrazené na obr. 1 jsou z fyzikální struktury odstraněny toroidní části a nepočítá se se zrušením elektromagnetických polí generovaných odpovídajícím způsobem. Zvýšení počtu poloidních smyček v provedení na obr. 1 vede k provedení na obr. 5 a 7 pro smyčky obdélníkového resp. kruhového profilu. Individuální smyčky jsou v těchto provedeních tvořeny kontinuálními vodivými povrchy, které mohou nebo nemusejí mít oblé štěrbiny za účelem dosažení vícesmyčkového provedení. Tyto struktury vytvářejí azimutově magnetické prstencové proudy, které jsou na každém místě paralelní s vodivými toroidními povrchy, a jejichž odpovídající elektrická pole jsou na každém místě kolmá k vodivým toroidním povrchům. Elektromagnetické vlny vytvořené touto strukturou se mohou šířit skrze vodivý povrch vzhledem k tomu, že tento povrch je dostatečně tenký pro případ kontinuálního vodiče. Toto zařízení bude mít účinek prstence elektrických dipólů v pohybujícím se náboji mezi vrchní a spodní stranou struktury, tj. ve směru paralelním se směrem hlavní osy toroidního jádra.

Provedení antény na obr. 1 a 13 mají společnou nevýhodu, která spočívá v poměrně značné velikosti kvůli nutnosti, aby obvod smyčky byl řádově jednou polovinou vlnové délky pro rezonanční provoz. Avšak velikost smyčky může být snížena přidáním buď indukčních reaktancí zapojených sériově nebo reaktancí zapojených paralelně ke strukturám z obr. 1 a 5. Obr. 8 zobrazuje přidání sériově zapojených indukčních reaktancí vytvořením solenoidového vodiče 35.1 ze středového vodiče v provedení z obr. 5. Obr. 10 zobrazuje přidání paralelně zapojené kapacitní reaktance 36.1 k provedení na obr. 13. Paralelně zapojený kondenzátor má formu středové hlavy 36.2 kola tvořící toroidní strukturu TS, přičemž tato hlava rovněž slouží pro mechanické nesení jak toroidního jádra tak i středového elektrického vodiče 36.3, kterým je signál při vývodech S1 a S2 přiveden do anténní struktury. Paralelně zapojený kondenzátor a strukturální hlava jsou vytvořeny ze dvou vodivých desek PÍ a P2 vyrobených z mědi, hliníku nebo z jiného neželezného vodiče, a oddělených určitým médiem, např. vzduchem, teflonem, polyethylenem nebo jiným materiálem 36.4 s nízkými dielektrickými ztrátami. Vodič 36.3 s vývody S1 a S2 je při středu paralelních desek PÍ a P2 vodivě spojen s paralelními deskami PÍ resp. P2, které jsou zase vodivě spojeny k příslušným stranám toroidní štěrbiny při vnitřní části vodivého toroidního povrchu TS. Proudový signál protéká radiálně ven z vodiče 36.3 skrze desky PÍ a P2 a podél vodivého toroidního povrchu TS. Přidání kapacími reaktance uskutečněné pomocí vodivých desek PÍ a P2 umožňuje, aby poloidní obvod toroidního povrchu TS byl podstatně menší než obvod, který by byl žádoucí pro stejný stav rezonance realizovaný smyčkovou anténou pracující při stejné frekvenci.

Kapacitní ladicí prvek z obr. 10 může být kombinován s indukčními smyčkami z obr. 1 za účelem vytvoření provedení na obr. 11, jehož konstrukce může být zobrazena za předpokladu, že pro rovnocenný obvod z obr. 12 všechny kapacími reaktance jsou realizovány kondenzátorem s paralelními deskami a všechny indukční reaktance jsou uskutečněny drátovými smyčkami.

V následujícím textu jsou uvedeny rovnice pro kapacitní reaktancí kondenzátoru s paralelními kondenzátory a pro drátové induktory, které jsou vzaty z odkazu na publikaci Reference Data for Rádio Engineers, 7th ed., E.C. Jordán ed., 1986, Howard W. Sams, str. 6—13:

-5CZ 289371 B6

kde C = kapacita [pF], = indukčnost [μΗ], t = odsazení desek [in],

N = počet desek, a = střední poloměr drátové smyčky [in], d = drátový průměr [in], ε_Γ = relativní dielektrická konstanta.

Rezonanční frekvence ekvivalentního paralelního obvodu za předpokladu celkového počtu N drátů je potom dána rovnicemi:

(25)

Pro toroidní jádro o malém průměru = 7,00 cm (2,755 in.) a velkém vnitřním průměru (průměr kapacitních desek) = 10,28 cm (4,046 in.) a pro N = 24 smyček o 16 vodicích drátech (d = 0,16 cm (0,063 in)) s odsazením desek t = 0,358 cm (0,141 in.) je hodnota rezonanční frekvence vypočtená z uvedených rovnic rovna 156,5 MHz.

Pro provedení z obr. 12 je indukční reaktance jednoho závitu toroidních smyček aproximována vzorcem:

(27) kde μο je permeabilita vakua = 400 π nH/m, a a b je velký resp. malý poloměr toroidního jádra. Kapacitní reaktance kondenzátoru s paralelními deskami vytvořeného jako hlava torusu je dána rovnicí:

-6CZ 289371 B6 (28) kde 8q je permitivita vakua = 8,854 pF/m.

Dosazením rovnic (27) a (28) do rovnic (25) a (26) se získá rovnice:

b\a-bÝz_r \ a t (29)

Rovnice (29) stanovuje, že výše zobrazená toroidní konfigurace až na kontinuální vodivý povrch bude mít stejnou rezonanční frekvenci 156,5 MHz v případě, že odsazení desek je zvýšeno na 1,01 cm.

Provedení na obr. 10, 11 a 12 může být naladěno buď úplným odsazením desek nebo oddělením relativně úzké prstencové štěrbiny od desky, jak je zřejmé z obr. 12, přičemž tento jemný ladicí prostředek je azimutově symetrický za účelem zachování symetrie signálů, které se šíří radiálně ven ze středu struktury.

Obr. 13 a 15 zobrazují prostředek pro zvýšení šířky pásma uvedené anténní struktury. Poněvadž se signály šíří ven v radiálním směru, šířka pásma je zvýšena poskytnutím rozdílných diferenciálních obvodů v rozdílných radiálních směrech. Změna v geometrii je provedena azimutově symetricky tak, aby se minimalizovala geometrická odchylka od azimutového magnetického pole. Obr. 13 a 15 zobrazují geometrie, které jsou snadno vytvořeny z komerčně dostupných trubic.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (2)

1. Elektromagnetická anténa, vyznačená tím, že zahrnuje toroidní jádro a množinu vodivých smyček (27.1) probíhajících kolem toroidního jádra, přičemž rovina procházející každou z vodivých smyček (27.1) se kříží s toroidním jádrem, přičemž elektromagnetická anténa dále zahrnuje vývody (Sl, S2) pro vedení signálu, přičemž každá jedna z vodivých smyček (27.1) je elektricky zapojena do paralelní kombinace s každou z ostatních vodivých smyček (27.1) a je spojena s vývody (Sl, S2) pro vedení signálu.

2. Elektromagnetická anténa podle nároku 1, vyznačená tím, že toroidní jádro je pokryto vodivým materiálem a vodivé smyčky (27.1) zahrnuje odsazené štěrbiny ve vodivém materiálu.