RU2592052C1

RU2592052C1 - Small-size tunable antenna

Info

Publication number: RU2592052C1
Application number: RU2015119205/28A
Authority: RU
Inventors: Алексей Николаевич Ляшук; Сергей Анатольевич Завьялов; Родион Ринатович Фахрутдинов; Евгений Александрович Чащин; Александр Сергеевич Молодцов
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2016-07-20

Abstract

FIELD: radio engineering and communications.

SUBSTANCE: invention relates to antenna engineering and can be used in designing small-size widely tunable antenna devices for communication equipment and data transmission in MW and SW frequency bands. Antenna has first (1) and second (2) aligned current-conducting cylinders, inductance coil (4), as well as N of switches (5) and N of additional cylinders (3), aligned with first (1) and second (2) current-conducting cylinders, connected in such a way that together they form an oscillatory circuit tuned to the frequency of transmitted or received signal. First output of inductance coil (4) is connected to first cylinder (1), second output of inductance coil (4) is connected to central conductor (6) of feeder line (7) feeding the antenna, while feeder line (7) braid is connected to second cylinder (2). Second cylinder (2) is arranged between first cylinder (1) and inductance coil (4). Additional cylinders (3), all together or in a certain combination, each through its own switch of the N switches (5) may have electrical connection with second cylinder (2), thereby increasing the length of second cylinder (2).

EFFECT: increased tunability of the antenna resonance frequency while maintaining efficiency, which enables to provide reliable communication within MW and SW frequency bands for mobile and stationary subscribers.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано при создании малогабаритных широко перестраиваемых антенных устройств для аппаратуры связи и передачи данных в СВ, KB диапазонах частот.The invention relates to antenna technology and can be used to create small-sized widely tunable antenna devices for communication equipment and data transmission in CB, KB frequency bands.

Установка полноразмерных антенн вызывает затруднения ввиду больших физических размеров, что особенно проблематично в диапазоне средних волн (300 кГц - 3 МГц). Типовые решения для конструкций антенн в СВ, KB диапазонах частот - использование антенн-мачт, которые характеризуются широкополосностью, и укороченных антенн, с укорочением в три и более раз, которые отличаются малой эффективностью.The installation of full-size antennas is difficult due to the large physical dimensions, which is especially problematic in the medium wavelength range (300 kHz - 3 MHz). Typical solutions for antenna designs in CB, KB frequency bands are the use of antenna masts, which are characterized by broadband, and shortened antennas with a shortening of three or more times, which are characterized by low efficiency.

Известны укороченные антенны, называемые емкостными (Айзенберг Г.З. и др. Антенны УКВ. Часть 1. М.: Связь, 1977, стр. 82). Проблемами емкостных антенн являются обеспечение широкой перестройки антенны по частоте, обеспечение заданной полосы пропускания антенны и ее сохранение при перестройке по диапазону, обеспечение точной и оперативной подстройки антенны при ее мобильном использовании. На краях полосы пропускания передаточная характеристика антенны, ввиду своей узкополосности, вносит существенные фазовые искажения в передаваемый (или принимаемый, в силу принципа обратимости) сигнал. Это вносит ограничения по использованию современных эффективных цифровых видов модуляции семейства САМ, QPSK и других. Проблема ярко выражена в диапазоне средних волн и низкочастотной части коротковолнового диапазона. Часто емкостные антенны выполняют настроенными на фиксированные частоты без перестройки по частоте.Known shortened antennas called capacitive (Eisenberg GZ and other antennas VHF. Part 1. M .: Communication, 1977, p. 82). The problems of capacitive antennas are the provision of a wide tuning of the antenna in frequency, the provision of a given antenna bandwidth and its preservation during tuning in the range, and the provision of precise and operational tuning of the antenna during its mobile use. At the edges of the passband, the transfer characteristic of the antenna, due to its narrowband, introduces significant phase distortion into the transmitted (or received, due to the principle of reversibility) signal. This introduces restrictions on the use of modern effective digital modulation types of the CAM family, QPSK and others. The problem is pronounced in the range of medium waves and the low-frequency part of the short-wave range. Often capacitive antennas are tuned to fixed frequencies without tuning in frequency.

Известна емкостная антенна (Антенна малогабаритная емкостная с согласующей катушкой индуктивности, RU №2470424, H01Q 9/04, 20.12.2012) для организации радиосвязи и передачи данных в диапазонах средних, коротких и ультракоротких радиоволн. Антенна содержит емкостной элемент в виде двух соосно расположенных цилиндрических токопроводящих поверхностей, катушки индуктивности, согласующей катушки.Known capacitive antenna (small capacitive antenna with matching inductor, RU No. 2470424, H01Q 9/04, 12/20/2012) for the organization of radio communications and data transmission in the medium, short and ultrashort radio waves. The antenna contains a capacitive element in the form of two coaxially arranged cylindrical conductive surfaces, an inductor, a matching coil.

Недостатком такой антенны является невозможность перестраивать резонансную частоту колебательного (антенного) контура, состоящего из катушки индуктивности и емкости соосно расположенных цилиндрических токопроводящих поверхностей в широких пределах и, как следствие, осуществить перестройку антенны в широких пределах.The disadvantage of this antenna is the inability to tune the resonant frequency of the oscillatory (antenna) circuit, consisting of an inductance coil and the capacitance of coaxially arranged cylindrical conductive surfaces over a wide range and, as a result, to rebuild the antenna over a wide range.

Наиболее близким аналогом является «Coaxial inductor and dipole EH antenna» (Патент США № US 6956535 B2 от 18.10.2005). Антенна содержит первый и второй соосно расположенные токопроводящие цилиндры и катушку индуктивности, соединенные таким образом, что в совокупности они образуют раскрытый колебательный контур, настроенный на частоту излучаемого или принимаемого сигнала.The closest analogue is the "Coaxial inductor and dipole EH antenna" (US Patent No. US 6956535 B2 dated 10/18/2005). The antenna contains the first and second coaxially arranged conductive cylinders and an inductor connected in such a way that together they form an open oscillatory circuit tuned to the frequency of the emitted or received signal.

Недостатком такой антенны является малая эффективность антенны при широкой перестройке по частоте вследствие увеличения активных потерь в самой катушке индуктивности антенного контура и из-за потерь, вызванных скользящими контактами по виткам катушки.The disadvantage of such an antenna is the low efficiency of the antenna with wide frequency tuning due to an increase in active losses in the inductance coil of the antenna circuit and due to losses caused by sliding contacts along the turns of the coil.

Техническим результатом изобретения является увеличение перестройки с сохранением эффективности антенны при широкой перестройке по частоте, а также повышение оперативности и точности настройки антенны на резонансную частоту.The technical result of the invention is to increase the tuning while maintaining the efficiency of the antenna with a wide tuning in frequency, as well as increasing the efficiency and accuracy of tuning the antenna to the resonant frequency.

Указанный технический результат достигается тем, что в малогабаритную перестраиваемую антенну, содержащую первый и второй соосно расположенные токопроводящие цилиндры и катушку индуктивности, соединенные таким образом, что в совокупности они образуют колебательный контур, настроенный на частоту излучаемого или принимаемого сигнала, причем первый вывод катушки индуктивности подключен к первому цилиндру, второй вывод катушки индуктивности подключен к центральному проводнику фидерной линии, питающей антенну, а к оплетке фидерной линии подключен второй цилиндр, расположенный между первым цилиндром и катушкой индуктивности, согласно заявляемому изобретению, введены N коммутаторов и N дополнительных цилиндров, соосно расположенных с первым и вторым токопроводящими цилиндрами, причем каждый из N дополнительных цилиндров через отдельный коммутатор из N коммутаторов установлен с возможностью электрического соединения со вторым цилиндром, тем самым увеличивая длину второго цилиндра и изменяя частоту настройки колебательного контура антенны.The specified technical result is achieved in that in a small tunable antenna containing the first and second coaxially arranged conductive cylinders and an inductor connected in such a way that together they form an oscillating circuit tuned to the frequency of the emitted or received signal, and the first output of the inductor is connected to the first cylinder, the second terminal of the inductor is connected to the central conductor of the feeder line supplying the antenna, and to the braid of the feeder line and a second cylinder is connected, located between the first cylinder and the inductor, according to the invention, N commutators and N additional cylinders are inserted coaxially with the first and second conductive cylinders, each of the N additional cylinders being electrically installed through a separate switch of N commutators connection with the second cylinder, thereby increasing the length of the second cylinder and changing the tuning frequency of the oscillatory circuit of the antenna.

На чертежах изображено:The drawings show:

фиг. 1 - конструкция малогабаритной перестраиваемой антенны;FIG. 1 - design of a compact tunable antenna;

фиг. 2 - эквивалентная электрическая схема второго и N дополнительных цилиндров в составе конструкции малогабаритной перестраиваемой антенны.FIG. 2 - equivalent circuit diagram of the second and N additional cylinders as part of the design of a compact tunable antenna.

Конструкция малогабаритной перестраиваемой антенны содержит первый 1, второй 2 и N дополнительных соосно расположенных токопроводящих цилиндров 3, катушку индуктивности 4 и N коммутаторов 5, соединенных таким образом, что в совокупности они образуют колебательный (антенный) контур, настроенный на частоту излучаемого или принимаемого сигнала, причем первый вывод катушки индуктивности 4 подключен к первому цилиндру 1, второй вывод катушки индуктивности 4 подключен к центральному проводнику 6 фидерной линии 7, питающей антенну, а к оплетке 8 фидерной линии 7 подключен второй цилиндр 2, расположенный между первым цилиндром 1 и катушкой индуктивности 4, причем каждый из N дополнительных цилиндров 3 через отдельный коммутатор из N коммутаторов 5 установлен с возможностью электрического соединения со вторым цилиндром 2, тем самым увеличивая длину второго цилиндра 2 и изменяя частоту настройки колебательного контура антенны.The design of a small tunable antenna contains the first 1, second 2, and N additional coaxially located conductive cylinders 3, an inductor 4 and N switches 5 connected in such a way that together they form an oscillating (antenna) circuit tuned to the frequency of the emitted or received signal, moreover, the first output of the inductor 4 is connected to the first cylinder 1, the second output of the inductor 4 is connected to the Central conductor 6 of the feeder line 7, which feeds the antenna, and to the braid 8 feed The second cylinder 2 is connected to the black line 7, located between the first cylinder 1 and the inductor 4, and each of the N additional cylinders 3 is electrically connected to the second cylinder 2 through a separate switch of N switches 5, thereby increasing the length of the second cylinder 2 and by changing the tuning frequency of the oscillatory circuit of the antenna.

В малогабаритной перестраиваемой антенне настройка в резонанс определяется значением индуктивности катушки 4 и величиной конструктивной емкости Cs второго и дополнительных токопроводящих цилиндров (фиг. 2). Конструктивная емкость Cs образована токопроводящими поверхностями второго 2 и дополнительных цилиндров 3, подключаемых к оплетке 8 фидерной линии 7 и проводника, соединяющего первый вывод катушки индуктивности 4 и первый цилиндр 1, при этом расположение проводника совпадает с осью второго и дополнительных цилиндров. Изменение резонансной частоты малогабаритной перестраиваемой антенны основано на изменении конструктивной емкости. Так как значение конструктивной емкости прямо пропорционально длине цилиндра, а согласно формуле Томсона, частота колебаний в антенном контуре обратно пропорциональна корню квадратному из произведения индуктивности и емкости контура, то при изменении длины второго цилиндра 2 путем введения дополнительных N цилиндров 3, конструктивная емкость Cs, входящая в состав емкости антенного контура, будет изменяться.In a small tunable antenna, the resonance tuning is determined by the value of the inductance of the coil 4 and the value of the structural capacitance Cs of the second and additional conductive cylinders (Fig. 2). The structural capacitance Cs is formed by the conductive surfaces of the second 2 and additional cylinders 3 connected to the braid 8 of the feeder line 7 and the conductor connecting the first output of the inductor 4 and the first cylinder 1, while the location of the conductor coincides with the axis of the second and additional cylinders. The change in the resonant frequency of a small tunable antenna is based on a change in the structural capacitance. Since the value of the structural capacitance is directly proportional to the length of the cylinder, and according to the Thomson formula, the oscillation frequency in the antenna circuit is inversely proportional to the square root of the product of inductance and the capacitance of the circuit, when changing the length of the second cylinder 2 by introducing additional N cylinders 3, the constructive capacity Cs in the composition of the capacitance of the antenna circuit will vary.

Дополнительный положительный эффект увеличения длины второго цилиндра заключается в повышении эффективности антенны, поскольку второй цилиндр, являясь подключенным к общему проводу (к оплетке фидерной линии), выполняет роль более эффективного противовеса для излучающего элемента - цилиндра 1 (фиг. 1). Также повышение эффективности антенны при перестройке по частоте обусловлено минимальными активными потерями в катушке индуктивности, поскольку при резонансе потери в антенне определяются активным сопротивлением потерь катушки индуктивности.An additional positive effect of increasing the length of the second cylinder is to increase the efficiency of the antenna, since the second cylinder, being connected to a common wire (to the braid of the feeder line), acts as a more effective counterweight for the radiating element - cylinder 1 (Fig. 1). Also, the increase in antenna efficiency during frequency tuning is due to the minimum active losses in the inductor, since at resonance the losses in the antenna are determined by the active resistance of the losses of the inductor.

Количество дополнительных цилиндров и их размер (длина) определяется требуемым диапазоном перестройки и точностью настройки колебательного (антенного) контура в резонанс. Коммутирование дополнительных цилиндров может быть выполнено ручным или автоматическим способом, например, с помощью реле.The number of additional cylinders and their size (length) is determined by the required tuning range and the accuracy of tuning the oscillating (antenna) circuit to resonance. Switching of additional cylinders can be performed manually or automatically, for example, using a relay.

Малогабаритная перестраиваемая антенна может быть использована как в стационарном, так и в мобильном варианте с установкой на судах, автомобильном и железнодорожном транспорте. Многообразие мест установки обусловлено возможностью оперативной настройки или подстройки антенны в резонанс при изменении расположенных около антенны предметов.The small-sized tunable antenna can be used both in a stationary and in a mobile version with installation on ships, automobile and railway transport. The variety of installation sites is due to the possibility of operational tuning or tuning the antenna into resonance when changing objects located near the antenna.

Эффективность антенны и оперативной настройки малогабаритной перестраиваемой антенны подтверждена при проведении натурных испытаний при установке антенны на задний бампер автомобиля и крыше здания.The effectiveness of the antenna and the operational tuning of a small tunable antenna is confirmed during field tests when installing the antenna on the rear bumper of the car and the roof of the building.

Claims

A small tunable antenna containing the first and second coaxially arranged conductive cylinders and an inductor connected in such a way that together they form an oscillating circuit tuned to the frequency of the emitted or received signal, the first output of the inductor connected to the first cylinder, the second output of the inductor connected to the center conductor of the feeder line supplying the antenna, and a second cylinder located between the first is connected to the braid of the feeder line a cylinder and an inductor, characterized in that the antenna includes N switches and N additional cylinders coaxially located with the first and second conductive cylinders, each of the N additional cylinders through a separate switch of N switches installed with the possibility of electrical connection with the second cylinder, thereby increasing the length of the second cylinder.