RU186461U1

RU186461U1 - RESONANT TUNING ANTENNA

Info

Publication number: RU186461U1
Application number: RU2018126319U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Витальевич Федосов
Original assignee: Дмитрий Витальевич Федосов
Priority date: 2018-07-16
Filing date: 2018-07-16
Publication date: 2019-01-21

Abstract

Полезная модель относится к антенной технике, применяемой в основном для связи в шахтах, а именно к малогабаритным резонансным перестраиваемым антеннам. Антенна содержит согласующее устройство в виде трансформатора, состоящего из первичной и вторичной обмоток, излучающий вибратор в виде плоского или объемного проводящего тела, подключенный ко вторичной обмотке и расположенный в магнитном поле согласующего трансформатора. При этом к согласующему трансформатору в любой его точке гальванически подключается емкостной элемент, который располагается рядом с витками вторичной катушки трансформатора с возможностью перемещения вдоль оси катушки. Технический результат заключается в возможности плавного перестроения рабочей частоты антенны в широком диапазоне радиоволн и, как следствие, возможность компенсации влияния внешних предметов, обладающих емкостью и переключения на другие частотные каналы приема-передачи радиосигналов. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.The utility model relates to antenna technology, used mainly for communication in mines, namely to small-sized resonant tunable antennas. The antenna contains a matching device in the form of a transformer, consisting of a primary and secondary windings, a radiating vibrator in the form of a flat or volume conducting body, connected to the secondary winding and located in the magnetic field of the matching transformer. At the same time, a capacitive element is galvanically connected to the matching transformer at any point, which is located next to the turns of the secondary coil of the transformer with the possibility of movement along the axis of the coil. The technical result consists in the possibility of smoothly tuning the operating frequency of the antenna in a wide range of radio waves and, as a result, the ability to compensate for the influence of external objects with capacitance and switching to other frequency channels of radio transmission and reception. 2 s.p. f-ly, 6 ill.

Description

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована в малогабаритной приемопередающей технике средневолнового диапазона для ведения мобильной радиосвязи и индукционной связи и как отдельная антенна, предназначенная для установки на стационарных и подвижных объектах связи, а также для стационарного быстроразворачиваемого узла индукционной связи, что очень актуально в шахтах и рудниках, где практически в каждой горной выработке находится множество кабелей, вдоль которых хорошо распространяются сигналы средневолнового диапазона.The utility model relates to antenna technology and can be used in small medium-wave transceiver technology for mobile radio communications and induction communications and as a separate antenna designed for installation on stationary and mobile communication facilities, as well as for a stationary rapidly deployable induction coupling unit, which is very important in mines and mines, where in almost every mine workout there are many cables along which medium-wave signals propagate well vogo range.

В настоящее время известно, что размеры эффективных современных антенн гектометрового и декаметрового диапазона радиоволн составляют десятки и сотни метров, что существенно уменьшает возможность их использование в подвижной радиосвязи, а в шахте в условиях ограниченного пространства делает их использование практически невозможным, увеличивает время стационарной установки антенн для осуществления радиосвязи, такие типы антенн сдерживают развитие и применение как самой гектометровой и декаметровой радиосвязи, так и конструкций приемопередающих устройств в области длинноволновой, средневолновой и коротковолновой радиосвязи. Эти диапазоны радиоволн представляются наиболее привлекательными для осуществления связи в шахтах как непосредственно через породу, так и с помощью индукции, так как такие сигналы хорошо распространяются вдоль кабельных линий с минимальными потерями.It is now known that the dimensions of effective modern antennas of the hectometer and decameter range of radio waves are tens and hundreds of meters, which significantly reduces the possibility of their use in mobile radio communications, and in a mine in limited space conditions makes their use practically impossible, increases the time of stationary installation of antennas for radio communications, these types of antennas hinder the development and application of both the hectometer and decameter radio communications, and transmitting devices in the field of long-wave, medium-wave and short-wave radio communications. These ranges of radio waves are most attractive for communication in mines both directly through the rock, and by induction, since such signals propagate well along cable lines with minimal loss.

Известна антенна по патенту на полезную модель РФ 154886, которая состоит из тонкого вибратора, трансформатора на ферритовом кольце, удлиняющей катушки и противовеса в которой перестройка частоты осуществляется с помощью подвижного электрода подключенного к противовесу внутри удлиняющей катушки, с витками которой этот электрод образует емкостную связь и шунтирует эту удлиняющую катушку.The antenna is known according to the utility model patent of the Russian Federation 154886, which consists of a thin vibrator, a transformer on a ferrite ring, an extension coil and a counterweight in which the frequency is tuned using a movable electrode connected to the counterweight inside the extension coil, with the turns of which this electrode forms a capacitive coupling and shunts this extension coil.

Такую конструкцию практически невозможно использовать в качестве переносной антенны, так как наличие противовеса значительно увеличивает объемы антенны. Более того такая конструкция, где применяется тонкий длинный вибратор будет неудобна в качестве переносной в подземных сооружениях - шахтах и пещерах.This design is almost impossible to use as a portable antenna, since the presence of a counterweight significantly increases the volume of the antenna. Moreover, such a design, where a thin long vibrator is used, will be inconvenient as portable in underground structures - mines and caves.

Конструкция предлагаемой антенны лишена ферритовых сердечников, что значительно увеличивает уровень подводимой мощности сигнала.The design of the proposed antenna is devoid of ferrite cores, which significantly increases the level of input signal power.

Антенна состоит из вибратора - излучающего элемента, представляющего 2D - плоское или 3D - объемное проводящее тело, обладающее электрической емкостью. Наиболее удобным будет использовать в качестве такого вибратора вертикально или горизонтально расположенный проводящий цилиндр. Антенна имеет в своем составе согласующий трансформатор с изменяемым коэффициентом трансформации в виде первичной и вторичной обмоток. Трансформатор расположен таким образом, чтобы магнитное поле трансформатора выходило за пределы трансформатора и охватывало вибратор. Магнитное поле трансформатора - это достаточно быстро убывающее по своему значению поле, фактически сосредоточенное в пространстве, не превышающем нескольких единиц линейных размеров самого трансформатора, как правило, этот размер пространства менее 1% длины волны излучаемой антенной. Для осуществления перестройки резонансной частоты вблизи витков вторичной обмотки трансформатора располагается емкостной элемент, который подключается гальванически к любой точке трансформатора и может передвигаться вдоль оси вторичной катушки, удаляться или приближаться к виткам вторичной катушки.The antenna consists of a vibrator - a radiating element, representing a 2D - flat or 3D - three-dimensional conductive body with an electric capacity. It will be most convenient to use a vertically or horizontally located conductive cylinder as such a vibrator. The antenna includes a matching transformer with a variable transformation ratio in the form of primary and secondary windings. The transformer is positioned so that the magnetic field of the transformer extends beyond the transformer and covers the vibrator. The magnetic field of a transformer is a field that rapidly decreases in value and is actually concentrated in a space not exceeding several units of linear dimensions of the transformer itself, as a rule, this space size is less than 1% of the wavelength of the radiated antenna. To implement the tuning of the resonant frequency near the turns of the secondary winding of the transformer, there is a capacitive element that is connected galvanically to any point of the transformer and can move along the axis of the secondary coil, move away or approach the turns of the secondary coil.

В качестве такого элемента может выступать сам вибратор, который для настройки частоты перемещается вдоль оси вторичной катушки.The vibrator itself can act as such an element, which moves along the axis of the secondary coil to adjust the frequency.

Для того чтобы резонансная антенна не только плавно перестраивалась в рамках одного диапазона радиоволн, но и могла работать на нескольких частотных диапазонах, первичная и вторичная обмотки трансформатора выполнены из нескольких секций, которые подключаются последовательно с помощью реле. От количества подключенных секций зависит значение индуктивности обмотки и частотный диапазон.In order for the resonant antenna not only to be smoothly tuned within the same range of radio waves, but also to work on several frequency ranges, the primary and secondary windings of the transformer are made of several sections that are connected in series using a relay. The value of the inductance of the winding and the frequency range depend on the number of connected sections.

Таким образом, антенна дает возможность пользователям индукционных систем связи оперативно организовывать как стационарные точки связи, так и вести связь на ходу вдоль линий индукционной связи.Thus, the antenna enables users of induction communication systems to quickly organize both stationary communication points and to conduct communication on the move along induction communication lines.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому устройству является антенна по патенту RU №2488927 «Перестраиваемая резонансная антенна с согласующим устройством». Эта антенна содержит вибратор в виде 2D или 3D проводящего тела, согласующий трансформатор на незамкнутом магнитопроводе, вторичная обмотка которого подключена к вибратору, а на первичную - подается питание. Эта антенна имеет очень малые габариты и может использоваться в мобильной радиосвязи, однако она обладает существенным недостатком, а именно, подобная конструкция антенны может эффективно использоваться только для излучения сигналов портативных радиостанций небольшой мощности 1-5 Вт, поскольку при подаче сигнала большей мощности ферритовый стержень, из которого выполняется магнитопровод, входит в магнитное насыщение и нагревается, что не позволяет использовать эти антенны для передачи мощностей в несколько десятков и сотен Ватт, что особенно важно в случае организации узла стационарной радиосвязи.The closest analogue in technical essence to the claimed device is the antenna according to patent RU No. 2488927 "Tunable resonant antenna with matching device". This antenna contains a vibrator in the form of a 2D or 3D conducting body, a matching transformer on an open magnetic circuit, the secondary winding of which is connected to the vibrator, and the primary is supplied with power. This antenna has very small dimensions and can be used in mobile radio communications, however, it has a significant drawback, namely, such an antenna design can only be effectively used to emit signals from portable radio stations of small power of 1-5 W, since a ferrite rod from which the magnetic circuit is carried out, enters magnetic saturation and heats up, which does not allow the use of these antennas for transmitting capacities of several tens and hundreds of watts, which It is especially important in the case of the organization of a fixed radio communication node.

Технический результат заявляемой полезной модели заключается в возможности перестроения рабочей частоты малогабаритной антенны в достаточно широком диапазоне при использовании источников сигнала повышенной мощности в десятки и сотни Ватт при сохранении ее малых габаритных размеров для расширения функциональных возможностей радиоаппаратуры, в особенности, в условиях ограниченного объема (шахты, пещеры), кроме того антенна может перестраиваться и на другие диапазоны радиоволн.The technical result of the claimed utility model consists in the possibility of tuning the operating frequency of a small antenna in a fairly wide range when using high-power signal sources of tens and hundreds of watts while maintaining its small overall dimensions to expand the functionality of the radio equipment, especially in conditions of limited volume (mines, caves), in addition, the antenna can be tuned to other ranges of radio waves.

Указанный технический результат достигается тем, что в антенне, содержащей согласующее устройство в виде трансформатора, состоящего из первичной и вторичной обмоток, а также вибратора в виде плоского или объемного проводящего тела, находящегося в магнитном поле трансформатора и подключенного к его вторичной обмотке, согласно заявляемой полезной модели вблизи вторичной катушки располагается настроечный элемент в виде подвижного емкостного элемента (электрода).The specified technical result is achieved by the fact that in an antenna containing a matching device in the form of a transformer consisting of primary and secondary windings, as well as a vibrator in the form of a flat or volume conducting body located in the magnetic field of the transformer and connected to its secondary winding, according to the claimed useful model near the secondary coil is a tuning element in the form of a moving capacitive element (electrode).

Емкостной элемент сделан подвижным вдоль оси вторичной катушки, и антенна содержит механизм передвижения данного элемента, который может быть выполнен в виде электродвигателя с винтом, который, вращаясь, поднимает или опускает емкостной элемент и тем самым изменяет рабочую частоту антенны.The capacitive element is made movable along the axis of the secondary coil, and the antenna contains a mechanism for moving this element, which can be made in the form of an electric motor with a screw, which, rotating, raises or lowers the capacitive element and thereby changes the operating frequency of the antenna.

Изменение рабочей частоты антенны происходит из-за изменения шунтирующей емкости между витками вторичной обмотки и настроечным емкостным элементом. Это изменение частоты возможно в пределах ширины полосы 10-20% от центральной частоты. А для того, чтобы перейти на другой частотный диапазон первичная и вторичная обмотки трансформатора выполняются из нескольких секций, которые подключаются с помощью реле. При подключении дополнительных секций выбирается более низкий диапазон радиоволн, а при отключении секций - более высокий.The change in the operating frequency of the antenna occurs due to a change in the shunt capacitance between the turns of the secondary winding and the tuning capacitive element. This change in frequency is possible within a bandwidth of 10-20% of the center frequency. And in order to switch to a different frequency range, the primary and secondary windings of the transformer are made of several sections that are connected using a relay. When connecting additional sections, a lower range of radio waves is selected, and when disconnecting sections, a higher one is selected.

Полезная модель может быть реализована промышленным способом с использованием известных технических средств, технологий и материалов и соответствует требованиям критерия "промышленная применимость".The utility model can be implemented industrially using well-known technical means, technologies and materials and meets the requirements of the criterion of "industrial applicability".

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1, изображена конструктивная схема антенны.The utility model is illustrated by drawings, where in FIG. 1, a structural diagram of an antenna is shown.

В качестве каркаса антенны используется диэлектрическая труба, на которой размещается объемный проводящий вибратор 1 в виде цилиндра. Он может быть выполнен из фольги, приклеенной к каркасу.As the antenna frame, a dielectric tube is used, on which a volumetric conductive vibrator 1 is placed in the form of a cylinder. It can be made of foil glued to the frame.

На каркасе размещены первичная 2 и вторичная 3 обмотки трансформатора к которым подсоединен антенный вход 5. Внутри каркаса на отрезке пластиковой трубы установлен емкостной элемент 4, который может быть выполнен из фольги. Имеется механизм перемещения 6 емкостного элемента 4 для настройки антенны, состоящий из электродвигателя, редуктора и винта, расположенных на оси вторичной катушки, при вращении которого емкостной элемент перемещается вдоль этой оси.The primary 2 and secondary 3 windings of the transformer are placed on the frame to which the antenna input 5 is connected. Inside the frame, on the piece of plastic pipe, a capacitive element 4 is installed, which can be made of foil. There is a movement mechanism 6 of the capacitive element 4 for tuning the antenna, consisting of an electric motor, gearbox and screw located on the axis of the secondary coil, during rotation of which the capacitive element moves along this axis.

Более подробно устройство антенны изображено в разрезе двух плоскостей на фиг. 2. Каркас антенны 8 располагают в защитном кожухе 7, который тоже выполняют из диэлектрического материала. Устройство перемещения подстроечного емкостного элемента 6 состоит из электродвигателя 6.1, редуктора 6.2, винта 6.3 на оси катушек трансформатора, гайки из диэлектрического материала 6.4, в которой вращается винт. Гайка 6.4 жестко закреплена в трубке 9, на которой снаружи находится емкостной элемент 4 в виде слоя фольги. Для того чтобы трубка 9 с гайкой 6.4 не проворачивалась при вращении винта 6.3 и перемещалась вверх-вниз, на трубке 9 и каркасе антенны 8 размещены направляющие 10. Емкостной элемент 4 подключается гибким изолированным проводником к любой точке трансформатора, например А, В, D или Е. На фиг. 3A) показано подключение подстроечного элемента 4 к концу вторичной обмотки в точке Е, а на фиг. 3В) показано подключение емкостного элемента к точкам В и D, т.е. к концу первичной и началу вторичной катушки.In more detail, the antenna device is shown in section of two planes in FIG. 2. The frame of the antenna 8 is located in a protective casing 7, which is also made of dielectric material. The device for moving the tuning capacitive element 6 consists of an electric motor 6.1, a gearbox 6.2, a screw 6.3 on the axis of the transformer coils, a nut of dielectric material 6.4, in which the screw rotates. The nut 6.4 is rigidly fixed in the tube 9, on which the capacitive element 4 is in the form of a layer of foil. In order for the tube 9 with nut 6.4 to not rotate when the screw 6.3 is rotated and move up and down, guides 10 are placed on the tube 9 and the antenna frame 8. The capacitive element 4 is connected by a flexible insulated conductor to any point on the transformer, for example A, B, D or E. In FIG. 3A) shows the connection of the trimming element 4 to the end of the secondary winding at point E, and in FIG. 3B) shows the connection of the capacitive element to points B and D, i.e. towards the end of the primary and the beginning of the secondary coil.

На фиг. 4 изображена антенна, где вибратор 1 выполняет роль подстроечного элемента 4 и перемещается вдоль оси катушки 3 внутри нее.In FIG. 4 shows an antenna where the vibrator 1 acts as a trimming element 4 and moves along the axis of the coil 3 inside it.

На фиг. 5 изображена эквивалентная электрическая схема антенны. Подстроечный емкостной элемент 4 и витки вторичной катушки образуют серию подстроечных конденсаторов переменной емкости C₁, C₂…C_N емкость которых зависит от расположения элемента 4.In FIG. 5 shows an equivalent electrical circuit of an antenna. The tuning capacitive element 4 and the turns of the secondary coil form a series of tuning capacitors of variable capacitance C ₁ , C ₂ ... C _N whose capacitance depends on the location of element 4.

На фиг. 6 изображен фрагмент электрической схемы трансформатора двухдиапазонной антенны. Первичная катушка состоит из двух сегментов 2.1 и 2.2, а вторичная катушка из сегментов 3.1 и 3.2. Сегменты 2.2 и 3.2 подключаются последовательно к катушкам с помощью реле. Когда эти катушки подключены, антенна работает на нижнем диапазоне радиоволн, а когда отключены, то на более высоком диапазоне. Таким техническим решением достигается многодиапазонность антенны.In FIG. 6 shows a fragment of an electrical circuit of a transformer of a dual-band antenna. The primary coil consists of two segments 2.1 and 2.2, and the secondary coil consists of segments 3.1 and 3.2. Segments 2.2 and 3.2 are connected in series to the coils using relays. When these coils are connected, the antenna operates in the lower range of radio waves, and when disconnected, in the higher range. This technical solution achieves multi-range antenna.

Антенна работает следующим образом.The antenna works as follows.

При подаче высокочастотного сигнала на первичную обмотку 2 трансформатора в ней возникает магнитное поле, которое индуцирует магнитное поле во вторичной катушке 3. Вокруг трансформатора возникает магнитное поле, вектор магнитной индукции которого направлен вдоль вторичной катушки. Электрическое поле, вектор напряженности которого направлен перпендикулярно поверхности вибратора 1, возникает из-за подачи на него высокого напряжения со вторичной повышающей обмотки 3 трансформатора, который электрически соединен с вибратором 1. Исходя из того что поверхность вибратора 1 находится в зоне действия магнитного поля трансформатора, так что угол между вектором магнитной индукции и вектором напряженности электрического поля, возникающего на вибраторе, близок к 90°, то вблизи вибратора возникают условия, достаточные для формирования радиоволн.When a high-frequency signal is supplied to the primary winding 2 of the transformer, a magnetic field appears in it, which induces a magnetic field in the secondary coil 3. A magnetic field appears around the transformer, the magnetic induction vector of which is directed along the secondary coil. An electric field, the intensity vector of which is directed perpendicular to the surface of the vibrator 1, arises due to the supply of a high voltage to it from the secondary boost winding 3 of the transformer, which is electrically connected to the vibrator 1. Based on the fact that the surface of the vibrator 1 is in the area of the magnetic field of the transformer, so that the angle between the magnetic induction vector and the vector of the electric field arising on the vibrator is close to 90 °, then conditions sufficient for the shapes arise near the vibrator radiation waves.

Поскольку данная антенна резонансная и представляет собой открытый колебательный контур, то внесение в данный контур любых реактивных элементов изменит резонансную частоту. Таким реактивным элементом выступает емкостной элемент 4, который шунтирует вторичную обмотку трансформатора, вызывает изменение резонансной частоты и перестраивает антенну на другую частоту. Это позволяет перестраивать частоту антенны в диапазоне 10-20% от центральной частоты диапазона. Для перехода на другой диапазон требуется отключить или подключить части секций первичной 2 и вторичной катушки 3 трансформатора.Since this antenna is resonant and is an open oscillatory circuit, the introduction of any reactive elements into this circuit will change the resonant frequency. Such a reactive element is a capacitive element 4, which shunts the secondary winding of the transformer, causes a change in the resonant frequency and tunes the antenna to a different frequency. This allows you to tune the antenna frequency in the range of 10-20% of the center frequency of the range. To switch to another range, you need to disconnect or connect parts of the sections of the primary 2 and secondary coil 3 of the transformer.

Claims

1. An antenna with a matching device, comprising a matching device in the form of a transformer, consisting of a primary and secondary windings, an emitting vibrator in the form of a flat or volume conducting body connected to the secondary winding and located in the magnetic field of the matching transformer, characterized in that near the secondary winding a transformer is a movable capacitive element connected galvanically at any point to the transformer, and a mechanism for manual or automatic movement of the capacitive element nta relative to the secondary winding and fixation in the selected position.

2. The antenna according to claim 1, characterized in that the vibrator connected to the secondary winding of the transformer is aligned with the capacitive element and is arranged to move along the axis of the secondary coil.

3. The antenna according to claim 1, characterized in that the primary and secondary windings are divided into several sections that are connected using a relay.