RU2142182C1

RU2142182C1 - Magnetic antenna

Info

Publication number: RU2142182C1
Application number: RU95103677A
Authority: RU
Inventors: Ю.Н. Пчельников; В.В. Анненков; Р.М. Дымшиц; А.А. Елизаров
Original assignee: Анненков Владимир Владимирович
Priority date: 1995-03-14
Filing date: 1995-03-14
Publication date: 1999-11-27
Also published as: RU95103677A

Abstract

FIELD: radio engineering. SUBSTANCE: magnetic antenna that can be used, for example, for underwater and underground data transmission and reception has its inductance coil made in the form of quarter- wave section of transmission line of two parallel conductors formed by set of conducting members placed in tandem in direction of wave propagation. EFFECT: reduced size at relatively long waves and improved radiation power. 6 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и технике высоких частот, а более точно к антенной технике, и может быть использовано для связи, в частности, для приема и передачи информации под водой и под землей. The invention relates to radio and high frequency technology, and more specifically to antenna technology, and can be used for communication, in particular, for receiving and transmitting information under water and underground.

Известна спиральная антенна, содержащая двухзаходную арифметическую спираль, имеющую не менее трех с половиной витков в каждой ветви, размещенную на диэлектрической плате, установленной над экраном, внутренние концы каждой из ветвей арифметической спирали соединены с внутренним проводником коаксиальной линии, внешний проводник которой соединен с экраном, выполненным в виде металлического диска, установленного соосно с арифметической спиралью [1]. Known spiral antenna containing a two-way arithmetic spiral having at least three and a half turns in each branch, placed on a dielectric board mounted above the screen, the inner ends of each of the branches of the arithmetic spiral are connected to the inner conductor of the coaxial line, the outer conductor of which is connected to the screen, made in the form of a metal disk mounted coaxially with an arithmetic spiral [1].

Недостатком известного устройства являются относительно большие размеры, сравнимые с максимальной длиной волны рабочего диапазона, а также недостаточно эффективное излучение вследствие концентрации поля в объеме между спиралью и экраном. A disadvantage of the known device is its relatively large size, comparable with the maximum wavelength of the operating range, as well as insufficiently efficient radiation due to the concentration of the field in the volume between the spiral and the screen.

Известна приемная магнитная антенна, содержащая несколько колебательных контуров из конденсаторов и катушек индуктивности, размещенных на установленных параллельно друг другу ферритовых стержнях, и сумматор, соединяющий колебательные контуры со входом приемника [2]. Known receiving magnetic antenna containing several oscillatory circuits of capacitors and inductors placed on parallel to each other ferrite rods, and an adder connecting the oscillatory circuits to the input of the receiver [2].

Известное устройство обеспечивает расширение рабочего диапазона частот, однако размеры и вес его велики. Другим недостатком устройства является уменьшение эффективности излучения за счет взаимного влияния параллельно расположенных ферритовых стержней. Разнос стержней приводит к еще большему увеличению размеров антенны. The known device provides an extension of the working frequency range, however, its size and weight are large. Another disadvantage of the device is the decrease in radiation efficiency due to the mutual influence of parallel spaced ferrite rods. Spacing of the rods leads to an even larger increase in the size of the antenna.

Наиболее близкой к предлагаемой является магнитная антенна, содержащая катушку индуктивности, намотанную на ферритовую рамку, образующую замкнутый сердечник, и параллельно соединенный с катушкой индуктивности конденсатор [3]. Closest to the proposed one is a magnetic antenna containing an inductor wound around a ferrite frame forming a closed core and a capacitor connected in parallel with the inductor [3].

Недостатком известного устройства является резкое уменьшение эффективности излучения за счет локализации магнитного поля в замкнутом сердечнике. A disadvantage of the known device is a sharp decrease in radiation efficiency due to the localization of the magnetic field in a closed core.

Целью изобретения является уменьшение габаритов антенны на относительно длинных волнах при одновременном увеличении излучающей способности. The aim of the invention is to reduce the dimensions of the antenna at relatively long waves while increasing the emissivity.

Указанная цель достигается следующим образом. The specified goal is achieved as follows.

Катушка индуктивности магнитной антенны выполнена в виде четвертьволнового отрезка линии передачи, состоящего по меньшей мере из двух параллельно расположенных импедансных проводников, образованных рядом расположенных последовательно в направлении распространения волны проводящих элементов, соединенных друг с другом с зазором таким образом, что образованный ими рисунок на каждом импедансном проводнике является повернутым на 180^o относительно плоскости симметрии зеркальным отображением рисунка, образованного проводящими элементами соседнего импедансного проводника, причем на одном конце передающей линии соседние импедансные проводники соединены по крайней мере попарно друг с другом, а на другом конце - с двумя полюсами высокочастотного вывода так, что соседние импедансные проводники соединены с разными полюсами.The magnetic antenna inductor is made in the form of a quarter-wave segment of the transmission line, consisting of at least two parallel impedance conductors formed next to each other in series in the direction of wave propagation of the conductive elements, connected to each other with a gap so that they form a pattern on each impedance conductor 180 is rotated relative to the plane of symmetry ^o mirror image of the pattern formed by the conductive element and neighboring impedance conductor, wherein one end of the transmission line impedance neighboring conductors are connected at least in pairs with each other, and at the other end - the two poles of the high-frequency output so that adjacent impedance conductors are connected to different poles.

Катушка может быть также выполнена так, что расстояние между соседними импедансными проводниками не превышает 1/6 длины волны в образованной импедансными проводниками линии передачи. The coil can also be designed so that the distance between adjacent impedance conductors does not exceed 1/6 of the wavelength in the transmission line formed by the impedance conductors.

Импедансные проводники могут быть расположены коаксиально друг относительно друга, а проводящие элементы каждого из импедансных проводников могут образовывать при этом по меньшей мере однозаходную цилиндрическую спираль. The impedance conductors may be arranged coaxially with respect to each other, and the conductive elements of each of the impedance conductors may form at least one helical cylindrical spiral.

Проводящие элементы каждого из импедансных проводников могут образовывать по меньшей мере однозаходную радиальную спираль. The conductive elements of each of the impedance conductors may form at least a single radial helix.

Проводящие элементы каждого из импедансных проводников могут образовывать штыревую гребенку. The conductive elements of each of the impedance conductors may form a pin comb.

Проводящие элементы, образующие импедансные проводники, могут быть выполнены в виде металлизации на поверхностях диэлектрических подложек. The conductive elements forming the impedance conductors can be made in the form of metallization on the surfaces of dielectric substrates.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 схематически изображена предлагаемая антенна, на фиг. 2 - вариант антенны с импедансным проводником в виде двух коаксиально расположенных цилиндрических спиралей, на фиг. 3 - вариант антенны с тремя импедансными проводниками, выполненными в виде радиальных спиралей, на фиг. 4 - два импедансных проводника, выполненных в виде штыревых гребенок, на фиг. 5 - рисунок импедансного проводника, образованный проводящими элементами, выполненными в виде металлизации. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 schematically shows the proposed antenna, in FIG. 2 is an embodiment of an antenna with an impedance conductor in the form of two coaxially arranged cylindrical spirals, FIG. 3 is a variant of an antenna with three impedance conductors made in the form of radial spirals, in FIG. 4 - two impedance conductors made in the form of pin combs, in FIG. 5 is a drawing of an impedance conductor formed by conductive elements made in the form of metallization.

Магнитная антенна представляет собой четвертьволновый отрезок линии передачи (фиг. 1), образованной параллельно расположенными импедансными проводниками 2, 3, отличающимися друг от друга только тем, что импедансный проводник 3 является повернутым на 180^o относительно плоскости симметрии зеркальным отображением импедансного проводника 2. Импедансные проводники 2, 3 выполнены в виде ряда расположенных в одной плоскости в направлении распространения волны (стрелки A на фиг. 1) проводящих элементов, соединенных друг с другом с зазором. Концы 4 импедансных проводников 2 и концы импедансных проводников 3, обращенные ко входу 6 линии передачи 1, соединены, соответственно, с разными полюсами входа 6, концы 4 - с полюсом 7, а концы 5 - с полюсом 8. Концы 9, 10 линии передачи 1 с другой ее стороны соединены друг с другом перемычками 11. Вход 6 соединен с приемником или передатчиком (на чертеже не показаны).The magnetic antenna is a quarter-wave segment of the transmission line (Fig. 1) formed by parallel-mounted impedance conductors 2, 3, differing from each other only in that the impedance conductor 3 is rotated 180 ^o relative to the plane of symmetry by a mirror image of the impedance conductor 2. Impedance conductors 2, 3 are made in the form of a series of conductive elements arranged in the same plane in the direction of wave propagation (arrows A in Fig. 1) connected to each other with a gap. The ends 4 of the impedance conductors 2 and the ends of the impedance conductors 3 facing the input 6 of the transmission line 1 are connected, respectively, with different poles of the input 6, the ends 4 are connected to the pole 7, and the ends 5 to the pole 8. The ends 9, 10 of the transmission line 1 on its other side are connected to each other by jumpers 11. Input 6 is connected to a receiver or transmitter (not shown in the drawing).

Предпочтителен вариант, когда расстояние а (фиг. 1) между импедансными проводниками 2, 3 не превышает 1/6 длины волны в образованной импедансными проводниками 2, 3 линии передачи 1. The preferred option is when the distance a (Fig. 1) between the impedance conductors 2, 3 does not exceed 1/6 of the wavelength in the transmission line 1 formed by the impedance conductors 2, 3.

Возможен вариант, когда импедансные проводники 2, 3 (фиг. 2) имеют форму цилиндрических спиралей и расположены коаксиально друг относительно друга. It is possible that the impedance conductors 2, 3 (Fig. 2) are in the form of cylindrical spirals and are located coaxially relative to each other.

Практический интерес представляет также вариант, когда импедансные проводники 2, 3 выполнены в виде радиальных спиралей (фиг. 3). Of practical interest is also the option when the impedance conductors 2, 3 are made in the form of radial spirals (Fig. 3).

Для некоторых применений полезен вариант, когда импедансные проводники 2, 3 выполнены в виде штыревых гребенок (фиг. 4). For some applications, a useful option is when the impedance conductors 2, 3 are made in the form of pin combs (Fig. 4).

Более технологичен вариант магнитной антенны, когда импедансные проводники 2, 3 выполнены в виде металлизации на диэлектрических подложках 12 (фиг. 5). A more technologically advanced version of the magnetic antenna is when the impedance conductors 2, 3 are made in the form of metallization on dielectric substrates 12 (Fig. 5).

Работает предлагаемая антенна следующим образом. The proposed antenna works as follows.

В режиме передачи электромагнитный сигнал на частоте, близкой к резонансной частоте антенны, с передатчика (на чертеже не показан) подается на вход 6 линии передачи 1, возбуждая в линии передачи 1 бегущую замедленную волну. Отражаясь от перемычек 11, замедленная волна образует стоячую волну с максимумом напряженности H магнитного поля около перемычек 11. Благодаря тому, что импедансные проводники 2, 3 являются повернутыми на 180^o зеркальными отображениями друг друга и подсоединены к разным полюсам входа 6, т.е. возбуждаются противофазно, поперечные составляющие токов в этих проводниках имеют одинаковое направление. Это приводит к тому, что создаваемое этими составляющими токов магнитное поле складывается подобно тому, как складываются поля магнитных диполей с параллельными токами. Характеристика излучения и диаграмма ее направленности аналогичны характеристике и диаграмме нескольких установленных на одной оси магнитных диполей [4].In transmission mode, an electromagnetic signal at a frequency close to the resonant frequency of the antenna from a transmitter (not shown in the drawing) is fed to input 6 of transmission line 1, exciting a traveling slow wave in transmission line 1. Reflecting from the jumpers 11, the slow wave forms a standing wave with a maximum magnetic field strength H near the jumpers 11. Due to the fact that the impedance conductors 2, 3 are 180 ^° mirror images of each other and are connected to different poles of the input 6, i.e. excited in antiphase, the transverse components of the currents in these conductors have the same direction. This leads to the fact that the magnetic field created by these current components is added in the same way as the fields of magnetic dipoles with parallel currents are added. The radiation characteristic and its radiation pattern are similar to the characteristic and diagram of several magnetic dipoles mounted on the same axis [4].

Преимущество предлагаемой антенны заключается в том, что вызванное совпадением направления поперечных составляющих токов в проводниках 2, 3 увеличение магнитного поля приводит к увеличению эквивалентной погонной индуктивности и, следовательно, к увеличению замедления электромагнитной волны в линии передачи 1. Это замедление может существенно превышать так называемое геометрическое замедление, определяемое отношением суммарной длины проводящих элементов, образующих импедансные проводники 2, 3 к длине этих проводников. Объясняется это тем, что при уменьшении расстояния а между импедансными проводниками 2, 3 увеличивается не только эквивалентная погонная индуктивность L_o но и эквивалентная погонная емкость C_o, а величина замедления определяется отношением

диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума. Таким образом, предлагаемая конструкция магнитной антенны одновременно обеспечивает сложение магнитных полей импедансных проводников 2, 3 и уменьшение резонансных размеров образуемой этими проводниками линии передачи 1.The advantage of the proposed antenna is that due to the coincidence of the direction of the transverse components of the currents in the

conductors

2, 3, an increase in the magnetic field leads to an increase in the equivalent linear inductance and, therefore, to an increase in the deceleration of the electromagnetic wave in the transmission line 1. This deceleration can significantly exceed the so-called geometric deceleration, determined by the ratio of the total length of the conductive elements forming the

impedance conductors

2, 3 to the length of these conductors. This is explained by the fact that when the distance a between the

impedance conductors

2, 3 decreases, not only the equivalent linear inductance L _o but also the equivalent linear capacitance C _o increase, and the deceleration is determined by the ratio

dielectric and magnetic permeability of vacuum. Thus, the proposed design of the magnetic antenna simultaneously provides the addition of magnetic fields of the

impedance conductors

2, 3 and a decrease in the resonance dimensions of the transmission line 1 formed by these conductors.

Работа на частотах, близких к резонансной, обеспечивает получение входного сопротивления антенны, близкого к волновому сопротивлению свободного пространства и, следовательно, высокую эффективность излучения. Operation at frequencies close to the resonant one provides an input impedance of the antenna close to the impedance of free space and, therefore, high radiation efficiency.

Расстояние a между проводниками 2 и 3 выбирается меньше 1/6 длины замедленной волны, т. к. именно при этом расстоянии становится заметным увеличение замедление по сравнению с геометрическим. При наличии импедансных проводников 2, 3, 2 или 3, 2, 3 как это показано на примере выполнения антенны с импедансными проводниками в виде радиальных спиралей (фиг. 3) расстояние а должно быть одним и тем же между всеми соседними импедансными проводниками. При этом перемычка 11 замыкает концы 9, 10 всех трех импедансных проводников. При выполнении магнитной антенны с четырьмя и более импедансными проводниками 2, 3 (при четном их числе) импедансные проводники 2, 3 могут быть соединены перемычками попарно, как это показано на фиг. 1. При этом расстояние b между несоединенными проводниками 2, 3 должно быть равным или превышать расстояние a между соединенными проводниками. The distance a between the conductors 2 and 3 is chosen less than 1/6 of the length of the decelerated wave, because it is at this distance that the increase in deceleration becomes noticeable in comparison with the geometric. In the presence of impedance conductors 2, 3, 2 or 3, 2, 3, as shown in the example of an antenna with impedance conductors in the form of radial spirals (Fig. 3), the distance a must be the same between all adjacent impedance conductors. In this case, the jumper 11 closes the ends 9, 10 of all three impedance conductors. When performing a magnetic antenna with four or more impedance conductors 2, 3 (with an even number of them), impedance conductors 2, 3 can be connected in pairs by jumpers, as shown in FIG. 1. In this case, the distance b between the unconnected conductors 2, 3 must be equal to or greater than the distance a between the connected conductors.

Приведенные на фиг. 2 и фиг. 3 варианты выполнения магнитной антенны с импедансными проводниками в виде цилиндрических и радиальных спиралей обеспечивают аксиально-симметричную диаграмму направленности излучения, напоминающую диаграмму излучения классического магнитного диполя. Выполнение магнитной антенны с импедансными проводниками в виде штыревых гребенок (фиг. 4) создает несимметричное излучение и может представлять интерес при создании антенной решетки, обеспечивающей более узкую диаграмму излучения. Referring to FIG. 2 and FIG. 3 embodiments of a magnetic antenna with impedance conductors in the form of cylindrical and radial spirals provide an axially symmetric radiation pattern that resembles a radiation pattern of a classical magnetic dipole. The implementation of a magnetic antenna with impedance conductors in the form of pin combs (Fig. 4) creates asymmetric radiation and may be of interest in creating an antenna array that provides a narrower radiation pattern.

На практике предлагаемую магнитную антенну, особенно в том случае, когда она приемная, удобно изготавливать путем создания металлизации с требуемым рисунком на диэлектрических подложках. На фиг. 5 приведен рисунок импедансного проводника, созданного путем травления на фольгированном диэлектрике. In practice, the proposed magnetic antenna, especially when it is receiving, it is convenient to manufacture by creating metallization with the desired pattern on dielectric substrates. In FIG. Figure 5 shows a drawing of an impedance conductor created by etching on a foil dielectric.

Результаты испытаний магнитной антенны, набранной из 5-ти диэлектрических пластин толщиной 2 мм каждая, с импедансными проводниками на обеих сторонах каждой пластины, имеющими размеры, указанные на фиг. 5, показали хорошие излучающие способности такой антенны на частоте 12 МГц. The test results of a magnetic antenna composed of 5 dielectric plates 2 mm thick each, with impedance conductors on both sides of each plate having the dimensions indicated in FIG. 5, showed good emissivity of such an antenna at a frequency of 12 MHz.

Работа предлагаемой антенны в режиме передачи ничем не отличается от ее работы в режиме приема. Принимаемый сигнал на частотах, близких к резонансной частоте отрезка линии передачи 1, возбуждает противофазную замедленную волну, которая, поступая на вход 6 линии передачи 1, попадает далее в приемник (на чертеже не показан). The operation of the proposed antenna in transmit mode is no different from its operation in receive mode. The received signal at frequencies close to the resonant frequency of a segment of transmission line 1 excites an antiphase slow wave, which, entering the input 6 of transmission line 1, goes further to the receiver (not shown in the drawing).

Таким образом, предлагаемая магнитная антенна обладает малыми по сравнению с длиной волны в свободном пространстве размерами, близкой к классическому диполю диаграммой направленности и высокой излучающей способностью, обеспечиваемой резонансным режимом работы. Thus, the proposed magnetic antenna has a small size compared to the wavelength in free space, close to the classical dipole radiation pattern and high emissivity provided by the resonant mode of operation.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1587611, H 01 Q 11/08, 1990.Sources of information
1. USSR author's certificate N 1587611, H 01 Q 11/08, 1990.

2. Авторское свидетельство СССР N 1597990, H 01 Q 7/08, 1990. 2. USSR author's certificate N 1597990, H 01 Q 7/08, 1990.

3. Авторское свидетельство СССР N 1569925, H 01 Q 7/08, 1990. 3. USSR author's certificate N 1569925, H 01 Q 7/08, 1990.

4. Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика. -М.: Связь, 1971, с. 150. 4. Volman V.I., Pimenov Yu.V. Technical electrodynamics. -M .: Communication, 1971, p. 150.

Claims

1. A magnetic antenna containing at least one inductor connected via a bipolar high-frequency output to a radio receiver or radio transmitter, characterized in that the inductor is made in the form of a quarter-wave section of a transmission line consisting of at least two parallel impedance conductors formed by adjacent to each other in series in the direction of wave propagation of conductive elements connected to each other with a gap so that they formed the pattern of each impedance conductor is rotated 180 ^o relative to the plane of symmetry by a mirror image of the pattern formed by the conductive elements of the adjacent impedance conductor, and at one end of the transmission line adjacent impedance conductors are connected at least in pairs with each other, and at the other end with two poles of the high-frequency output so that adjacent impedance conductors are connected to different poles.

2. The magnetic antenna according to claim 1, characterized in that the distance between adjacent impedance conductors does not exceed 1/6 of the wavelength in the transmission line formed by the impedance conductors.

3. The magnetic antenna according to claim 1, characterized in that the impedance conductors are located coaxially with respect to each other, and the conductive elements of each of the impedance conductors form at least a single helical spiral.

4. The magnetic antenna according to claim 1, characterized in that the conductive elements of each of the impedance conductors form at least a single radial helix.

5. The magnetic antenna according to claim 1, characterized in that the conductive elements of each of the impedance conductors form a pin comb.

6. The magnetic antenna according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the conductive elements forming the impedance conductors can also be made in the form of metallization on the surfaces of dielectric substrates.