RU2081485C1

RU2081485C1 - Приемопередающая петлевая антенна

Info

Publication number: RU2081485C1
Application number: RU94018891A
Authority: RU
Inventors: Ю.В. Бульбин; Ю.И. Буянов
Original assignee: Бульбин Юрий Васильевич; Буянов Юрий Иннокентьевич; Сибирский физико-технический институт при Томском государственном университете
Priority date: 1994-05-25
Filing date: 1994-05-25
Publication date: 1997-06-10

Abstract

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве приемо-передающей антенны подвижных средств связи декаметрового и метрового диапазонов. Задачей изобретения является расширение диапазона перестройки рабочих частот при одновременном повышении ее эффективности. Антенна содержит две разомкнутые проводящие петли и два настроечных конденсатора переменной емкости. Первые концы петель соединены между собой и с первыми выводами настроечных конденсаторов, вторые которых соединены с другими концами петель, образующими выводы антенны. Указанные петли относительно их соединенных концов могут быть ориентированы пространственно одинаково или противоположно, что обеспечивает максимальную перестройку частоты соответственно вверх или вниз. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

Description

Изобретение относится к антенной технике, а именно к малогабаритным петлевым антеннам, и может быть использовано в качестве приемо-передающей антенны подвижных средств связи декаметрового и метрового диапазонов волн, которая должна сочетать малые массу и габариты и большой диапазон перестройки рабочих частот.

Известна малогабаритная петлевая антенна, содержащая проводящую петлю и удлиняющие катушки индуктивности, последовательно включенные в разрывы петлевого проводника. Однако потери в катушках индуктивности обусловливают прогрессирующее снижение КПД антенны по мере уменьшения периметра петли. Поэтому реально достижимое (с сохранением приемлемого КПД) уменьшение периметра петли антенны за счет использования удлиняющих катушек индуктивности составляет не более чем 1,3 1,4 раза.

Известна малогабаритная петлевая антенна, содержащая проводящую петлю и два настроечных конденсатора, включенные в разрывы петлевого проводника симметрично относительно выводов антенны. В сопоставлении с удлиняющими катушками индуктивности конденсаторы имеют существенно меньшие потери, чем и обеспечивается более высокий КПД антенны по сравнению с антенной, описанной ранее. Тем не менее при использовании настроечных конденсаторов можно уменьшить периметр петли не более чем в 1,9 2,1 раза, полагая еще приемлемым значение коэффициента стоячей волны, равное 2. В данном случае путем соответствующего подбора величины емкости конденсаторов удается скомпенсировать реактивную составляющую входного сопротивления антенны, но не удается обеспечить требуемую активную часть ее входного сопротивления.

В качестве прототипа выбрана малогабаритная антенна, содержащая разомкнутую петлю и два настроечных конденсатора переменной емкости, первые выводы которых соединены с первым концом петли, второй вывод одного из конденсаторов соединен со вторым концом петли и образует первый вывод антенны, а второй вывод второго конденсатора образует второй вывод антенны.

Один из недостатков антенны проявляется при ее использовании в качестве приемо-передающей антенны. По условию согласования величины емкостей первого конденсатора C1, параллельно соединенного с петлей, и второго конденсатора C2, последовательно соединенного с петлей, определяются следующими выражениями

где ω=2πf рабочая частота; L индуктивность петли, R_H - сопротивление приемника (передатчика), подключенных к антенне; R_S - активная часть входного сопротивления петли, включающая сопротивление излучения R_Σ сопротивление потерь в проводнике петли R_П и сопротивление потерь в окружающей среде R_ОС
R_s= R_Σ + R_п + R_ос
Например, в декаметровом диапазоне петля с периметром 2.5 м, изготовленная из медной трубки диаметром 8 см, будет иметь следующие величины емкостей настроечных конденсаторов (см. табл.1)
Для более тонких трубок значения величин емкостей еще более уменьшается. Из табл. 1 следует, что величина емкости второго конденсатора C2, последовательно соединенного с петлей, составляет единицы и десятки пикофарад. Конструкция конденсатора должна удовлетворять двум противоречивым требованиям: с одной стороны конденсатор должен иметь очень малую начальную емкость (1 2 пФ), сравнимую с емкостью монтажа, с другой стороны, выдерживать большие напряжения, развивающиеся на его обкладках, поскольку антенна работает в режиме, близком к режиму резонанса напряжений. В этом режиме напряжение на втором конденсаторе в Q раз больше напряжения, подводимого к выводам антенны (Q добротность антенны, которая для петли периметром меньше 0,25 минимальной рабочей длинны волны составляет 100 200 ед). Учитывая, что стандартные вакуумные переменные конденсаторы имеют начальную емкость ≥5 пФ, а их минимальные и максимальные значения величин емкостей относятся как 1:50, 1:100, можно сделать вывод, что диапазон перестройки рабочих частот петлевой малогабаритной антенны составляет 1,5 2 октавы.

Другой недостаток прототипа обусловлен его очень низкой эффективностью. В декаметровом диапазоне активная часть входного сопротивления антенны составляет десятые доли и единицы Ом и обусловлена в основном потерями в проводнике петли, поскольку сопротивление излучения петли составляет тысячные и сотые доли Ом, а окружающая среда, как правило, не обладает магнитными потерями. Отношение R_Σ к R_S определяет КПД антенны, который для малой антенны составляет доли и единицы процентов.

Изобретение направлено на создание приемо-передающей петлевой антенны с расширенным диапазоном перестройки рабочих частот при одновременном повышении КПД.

В соответствии с поставленной задачей заявляемая приемо-передающая антенна, как и прототип, содержит разомкнутую петлю, соединяющий ее концы первый настроечный конденсатор, и подключенный к одному концу петли второй настроечной конденсатор. Антенна отличается от прототипа тем, что в нее дополнительно введена вторая разомкнутая петля, подключенная своими концами к выводам указанного второго настроечного конденсатора.

Для максимального расширения диапазона перестройки рабочих частот вверх указанные петли ориентированы в пространстве одинаково относительно их соединенных концов.

Для максимального расширения диапазона перестройки рабочих частот вниз указанные петли ориентированы пространственно противоположно относительно их соединенных концов.

Существенно то, что антенна представляет собой двухпетлевой излучатель, петли которого возбуждаются параллельно. В этом случае сопротивления омических потерь каждой петли оказываются включенными параллельно, т.е. общее сопротивление потерь уменьшается в два раза. При этом момент тока антенны возрастают в два раза по сравнению с однопетлевым излучателем.

На фиг. 1 показано конструктивно-схемное решение предлагаемой антенны в соответствии с изобретением в предпочтительном воплощении с пространственно-одинаково ориентированными петлями; на фиг.2 -другое предпочтительное воплощение изобретения с пространственно-противоположной ориентацией петель.

Предлагаемая приемо-передающая антенна содержит первую разомкнутую проводящую петлю 1, аналогичную вторую петлю 2, а также первый и второй настроечные конденсаторы 3 и 4. Первые концы 5 и 6 петель 1 и 2 соединены между собой и с выводами 7 и 8 настроечных конденсаторов 3 и 4, другие выводы 9 и 10 которых соединены со вторыми концами 11 и 12 петель 1 и 2 и образуют выводы антенны 13 и 14. При этом на фиг.1 показана одинаковая пространственная ориентация петель 1 и 2 относительно их соединенных первых концов 5 и 6, а на фиг.2 -противоположная пространственная ориентация петель 1 и 2 относительно этих же соединенных концов 5 и 6.

Работу предлагаемой приемо-передающей петлевой антенны рассмотрим на примере передающего режима. Для эффективного излучения радиосигнала на рабочей частоте f_p осуществляют согласованного входа антенны с выходом передатчика с помощью настроечных конденсаторов 3 и 4. При этом величины емкостей конденсаторов 3 и 4 устанавливаются такими, что резонансная частота одной из петель оказывается выше f_p, а резонансная частота другой петли ниже f_p. Это приводит к тому, что протекающие по петлям 1 и 2 антенны возбуждающие токи оказываются сдвинутыми по фазе на величину, близкую к p/2. При таком характере распределения возбуждающих токов им всегда можно сопоставить эквивалентную в отношении создаваемого поля суперпозицию синфазного и противофазного токов на петлях 1 и 2 антенны. Синфазный ток определяет момент тока излучателя, а противофазный ток обеспечивает дополнительный запас энергии, повышая тем самым добротность излучателя и, следовательно, его эффективность.

Расчет характеристик предлагаемой антенны, величин емкостей настроечных конденсаторов 3 и 4 с помощью электродинамических методов представляет серьезные математические трудности. Однако, учитывая малые по сравнению с рабочей длиной волны размеры петель 1 и 2, можно с достаточной для практических целей точностью составить эквивалентную схему предлагаемой антенны в виде параллельных контуров, образованных индуктивностями петель 1 и 2 и емкостями конденсаторов 3 и 4 с комбинированной индуктивно-емкостной связью. Величина индуктивной связи контуров и ее знак (положительная или отрицательная связь) определяются расстоянием между петлями и их взаимной пространственной ориентацией.

Если согласно формуле изобретения петли 1 и 2 антенны ориентированы одинаково относительно их соединения концов 5 и 6 (фиг.1), то индуктивная составляющая собственного входного сопротивления каждой петли 1 и 2 уменьшается на величину взаимоиндукции петель и при заданных пределах изменения величин емкостей настроечных конденсаторов 4 и 4 диапазон перестройки рабочих частот антенны расширяется в сторону более высоких частот.

При противоположной ориентации петель 1 и 2 относительно их соединенных концов 5 и 6 (фиг.2) индуктивная составляющая собственного входного сопротивления каждой петли увеличивается на величину взаимоиндукции петель 1 и 2, и при заданных пределах изменения величин емкостей настроечных конденсаторов 3 и 4 диапазон перестройки рабочих частот антенны расширяется в сторону более низких частот.

В качестве примера в табл.2 приведены величины емкостей настроечных конденсаторов 3 и 4 для приемо-передающей петлевой антенны декаметрового диапазона с выходным сопротивлением 75 Ом, содержащей две круглые петли с периметром 2,5 м каждая, изготовленные из медной трубки диаметром 8см и расположенные на расстоянии 40 см друг от друга. Первый вариант антенны соответствует одинаковой ориентации петель 1 и 2 относительно их соединенных концов 5 и 6 (фиг. 1), а второй вариант антенны соответствует противоположной ориентации петель 1 и 2 относительно их соединенных концов 5 и 6 (фиг.2).

Сравнение величин емкостей настроечных конденсаторов антенны-прототипа и предлагаемой антенны показывает, что при заданных пределах изменеия величин емкостей настроечных конденсаторов 3 и 4 диапазон перестройки рабочих частот предлагаемой антенны расширяется в 5 6 раз по сравнению с диапазоном перестройки рабочих частот антенны-прототипа.

Из табл.2 следует, что величины емкостей настроечных конденсаторов 3 и 4 незначительно отличаются друг от друга. Очевидно, что если параметры петель 1 и 2 не равны, то можно подобрать такое отношение их параметров, при котором согласование антенны осуществляется одинаковыми настроечными конденсаторами, перестраиваемыми синхронно.

Повышение эффективности предлагаемой антенны по сравнению с эффективностью антенны-прототипа происходит вследствие снижения потерь в проводниках при параллельном соединении петель. Следовательно, при постоянной подводимой мощности возрастает момент тока в антенне и соответственно повышается КПД предлагаемой антенны.

Работоспособность и преимущества по сравнению с антенной-прототипом были подтверждены испытаниями изготовленной в сибирском физико-техническом институте антенны. При установке приемо-передающей петлевой антенны внутри автомобиля УАЗ-469 с брезентовым тентом была осуществлена круглосуточная двусторонняя радиосвязь с базовой станцией в диапазоне 3 6 МГц на расстояниях до 500 км в движении и на стоянках.

Claims

1. Приемопередающая петлевая антенна, содержащая разомкнутую петлю, соединяющий ее концы первый настроечный конденсатор и подключенный к одному концу петли второй настроечный конденсатор, отличающийся тем, что в нее введена дополнительная разомкнутая петля, подключенная своими концами к выводам второго настроечного конденсатора.

2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что в ней указанные петли относительно их соединенных концов ориентированы одинаково.

3. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что в ней указанные петли относительно их соединенных концов ориентированы противоположно.