SE433023B

SE433023B - LOOP ANTENNA FOR RADIO COMMUNICATION

Info

Publication number: SE433023B
Application number: SE8203551A
Authority: SE
Inventors: Sven Ramstrom
Original assignee: Sven Ramstrom
Priority date: 1982-06-08
Filing date: 1982-06-08
Publication date: 1984-04-30
Also published as: DK259783D0; SE8203551L; NO832084L; GB2125225B; GB8314425D0; NO159566C; NO159566B; DK259783A; DK161232C; DK161232B; GB2125225A

Description

82Ü555'i~u den elektroniska utrustningen användas samtidigt som radio- sändning sker från loopantennen. 82Ü555'i ~ u the electronic equipment is used at the same time as radio transmission from the loop antenna.

Min kända loopantenn uppvisar även ett antal ytterligare önskvärda egenskaper såsom vibrationsbeständighet, lågt stå- ende-våg-förhållande (bättre än l:l,3), liten storlek (endast ca 40 x 80 x 70 cm) samt högt Q-värde (bättre än 1000) vil- ket innebär dels att en ren från övertoner fri signal lämnar loopantennen vid sändning och dels att loopantennen lämpar sig för mottagning tack vare den smala bandbredden, vilket innebär att ej önskvärda signaler från närbelägna sändare undertrycks. En brist hos min kända loopantenn är det begrän- sade frekvensomfånget. Jag har nu överraskande funnit, att denna brist kan övervinnas genom att reducera antalet spol- varv som ligger parallellt över avstämningskondensatorn. Ge- nom denna åtgärd ökar antennens användbara frekvensomrâde uppåt från tidigare ca 16 MHz till ca 30 MHz. Tyvärr medför reducering av antalet varv även att horisontalstrålningsdia- grammet i närfältet förändras i negativ riktning eftersom inskärningarna inte blir lika utpräglade som tidigare, dvs. fältstyrkan inom nämnda sektorer vinkelrätt mot loopantennen tenderar att öka. Jag har emellertid helt överraskande fun- nit, att denna olägenhet kan rättas till genom att placera den konventionella bredbandstransformatorn osymmetriskt på den undre sidan av den kvadratiska kopplingsloopen, närmare bestämt på 1/3 av längden av kopplingsloopens undre sida.My known loop antenna also has a number of additional desirable properties such as vibration resistance, low standing-wave ratio (better than 1: 1, 3), small size (only about 40 x 80 x 70 cm) and high Q-value (better than 1000), which means partly that a pure signal free of harmonics leaves the loop antenna when transmitting and partly that the loop antenna is suitable for reception due to the narrow bandwidth, which means that undesirable signals from nearby transmitters are suppressed. A shortcoming of my known loop antenna is the limited frequency range. I have now surprisingly found that this shortcoming can be overcome by reducing the number of coil revolutions which are parallel over the tuning capacitor. Through this measure, the usable frequency range of the antenna increases upwards from the previous approx. 16 MHz to approx. 30 MHz. Unfortunately, reducing the number of revolutions also means that the horizontal radiation diagram in the near field changes in a negative direction because the incisions do not become as pronounced as before, ie. the field strength in said sectors perpendicular to the loop antenna tends to increase. However, I have quite surprisingly found that this inconvenience can be rectified by placing the conventional broadband transformer asymmetrically on the lower side of the square coupling loop, more precisely on 1/3 of the length of the lower side of the coupling loop.

Med denna placering av bredbandstransformatorn återställes de önskvärda inskärningarna i det horisontella strålningsdia- grammet till önskvärda -30 dB i antennens närområde.With this placement of the broadband transformer, the desired notches in the horizontal radiation diagram are reset to the desired -30 dB in the vicinity of the antenna.

Anledningen till att antennens övre användbara arbetsområde ökar från tidigare ca 16 MHz till ca 30 MHz är inte fullt klarlagd. Förmodligen uvpstår strökapacitans samt induktion mel- lan de i antennens svängningskrets inkopplade varven av spo- len och spolens övriga varv, vilka i elektriskt avseende är fritt flytande, vilket gör att antennen utstrålar i huvudsak fulla den tillförda effekten på de högsta frekvenserna. 820355?~u Genom att således kombinera de två nämnda åtgärderna med var- andra erhålles en loopantenn, som uppvisar alla de övriga önskvärda egenskaperna av min tidigare kända loopantenn.The reason why the antenna's upper usable working range increases from previously about 16 MHz to about 30 MHz is not fully understood. Probably the scattering capacitance and induction occur between the turns of the coil and the other turns of the coil connected in the oscillating circuit of the antenna, which are electrically free-flowing, which means that the antenna radiates substantially full the applied power at the highest frequencies. 820355? ~ U By thus combining the two mentioned measures with each other, a loop antenna is obtained, which exhibits all the other desirable properties of my previously known loop antenna.

Förutom att frekvensområdet för antennen enligt uppfinningen breddas, vilket i sig är en fördel, ökar antennens använd- ningsområde eftersom s.k. troposfärscatter nu kan utnyttjas.In addition to widening the frequency range of the antenna according to the invention, which in itself is an advantage, the area of use of the antenna increases because the so-called troposphere cats can now be used.

Troposfärscatter innebär att radiovâgor på frekvenser inom antennens övre användbara frekvensområde genom spridning i troposfären utbreder sig över mycket stora avstånd utan att nämnvärt dämpas. Sändarens effekt kan således hållas låg, vil- ket är en fördel.Tropospheric scattering means that radio waves at frequencies within the upper usable frequency range of the antenna by spreading in the troposphere propagate over very large distances without appreciable attenuation. The power of the transmitter can thus be kept low, which is an advantage.

En föredragen utföringsform av uppfinningen kommer att be- skrivas närmare nedan i anslutning till de bifogade ritning- arna, i vilka fig. l visar ett elektriskt kopplingsschema för loopantennen enligt föreliggande uppfinning, fig. 2 visar loopantennen i perspektivvy från ena sidan och fig. 3 visar loopantennen enligt uppfinningen i perspektivvy från den and- ra sidan, fig. 4 är ett schematiskt kopplingsschema för en i antennen ingående omkopplare och fig. 5 är ett strålninge- diagram upptaget för närområdet av antennen enligt uppfin- ningen.A preferred embodiment of the invention will be described in more detail below in connection with the accompanying drawings, in which Fig. 1 shows an electrical circuit diagram of the loop antenna according to the present invention, Fig. 2 shows the loop antenna in perspective view from one side and Fig. 3 shows the loop antenna according to the invention in perspective view from the other side, Fig. 4 is a schematic wiring diagram for a switch included in the antenna and Fig. 5 is a radiation diagram taken for the immediate area of the antenna according to the invention.

Kopplingsschemat för loopantennen enligt uppfinningen visas i fig. l. En skärmad koaxialkabel 1 av godtycklig längd för- binder loopantennen enligt uppfinningen med en ej visad radio- kommunikationsenhet, vilken består av en sändare och/eller mottagare. Den ej visade mottagaren förkopplas företrädesvis med en bredbandig HF-förstärkare i och för förbättring av signal-/brusförhållandet. Loopantennen innefattar på i och för sig känt sätt en kopplingsloop Ll, som är hårt induktivt kopp- lad till ett antennelement i form av en huvudloop eller fler- varvig spole L2, vilken är kopplad parallellt med en variabel avstämningskondensator C. En bredbandstransformator 2 förbin- der på känt sätt kopplingsloopen med koaxialkabeln l. Enligt uppfinningen anordnas en omkopplare 3 med vars hjälp ett el- 8205551-5! *f ler flera varv av spolen kan parallellkopplas med avstämnings- kondensatorn C. I den nedanstående beskrivna speciella utfö- ringsformen av loopantennen har omkopplaren 3 två lägen och i det ena av dessa lägen ligger endast ett varv av spolen parallellt med avstämningskondensatorn medan i det andra lä- get spolens samtliga varv ligger parallellt med avstämnings- kondensatorn. Det inses emellertid att flera omkopplingslägen kan förefinnas såsom visas i fig. l med streckade linjer.The wiring diagram of the loop antenna according to the invention is shown in Fig. 1. A shielded coaxial cable 1 of any length connects the loop antenna according to the invention to a radio communication unit (not shown), which consists of a transmitter and / or receiver. The receiver (not shown) is preferably coupled to a broadband RF amplifier to improve the signal-to-noise ratio. The loop antenna comprises in a manner known per se a switching loop L1, which is hard inductively connected to an antenna element in the form of a main loop or multi-turn coil L2, which is connected in parallel with a variable tuning capacitor C. A broadband transformer 2 is connected. According to the invention, a switch 3 is arranged with the aid of which an electrical loop 8 is connected. * several turns of the coil can be connected in parallel with the tuning capacitor C. In the special embodiment of the loop antenna described below, the switch 3 has two positions and in one of these positions only one turn of the coil lies parallel to the tuning capacitor while in the other position all the coils are parallel to the tuning capacitor. It will be appreciated, however, that several switching modes may be present as shown in Fig. 1 in broken lines.

I Det fysikaliska utförandet av loopantennen enligt uppfinningen framgår av figurerna 2 och 3. Spolen L2 har kvadratisk form och består av tre varv vilka medelst distanselement i form av stavar 4 av elektriskt isolerande plast är fixerade på fast avstånd från varandra. Medelst andra distanselement 5 i form av stavar i form av elektriskt isolerande plast nålls spolen fixerad på och elektriskt isolerad från ett underlag 6. Spolen är framställd av kopparrör med en diameter på 22mm och en väggtjocklek på 1 mm. Längden av kvadratens sida är 55 cm och centrumavståndet mellan spolvarven är 10 cm.The physical design of the loop antenna according to the invention is shown in Figures 2 and 3. The coil L2 has a square shape and consists of three turns which by means of spacer elements in the form of rods 4 of electrically insulating plastic are fixed at a fixed distance from each other. By means of second spacer elements 5 in the form of rods in the form of electrically insulating plastic, the coil is fixed and electrically insulated from a substrate 6. The coil is made of copper pipes with a diameter of 22 mm and a wall thickness of 1 mm. The length of the side of the square is 55 cm and the center distance between the coil turns is 10 cm.

Spolens ena ände 7 är medelst en skiva 8 av elektriskt ledan de material, t.ex. koppar, ansluten till det ej visade ena belägget av en keramisk vakuumkondensator 9, vilken således _svarar mot den i fig. l visade kondensatorn C. Kondensatorns kapacitans är inställbar mellan 5 och 1000 pF genom vridning av en stav 10 som är mekaniskt ansluten till kondensatorns axel men som är elektriskt isolerad från denna. Spolens and- ra ände ll är medelst en skiva 12 av elektriskt ledande ma- terial, t.ex. koppar, ansluten till ett första kontaktbleck 13 av omkopplaren 3. Denna omkopplare har ett andra kontakt- bleck 14 (fig. 4) som medelst en skiva 15 av elektriskt le- dande material, t.ex. koppar, är anslutet till kondensatorns 9 ej visade andra belägg. Vidare innefattar omkopplaren 3 ett tredje kontaktbleck 16 som medelst en kontaktklämma 17 av elektriskt ledande material, t.ex. koppar, är anslutet till en punkt på spolen så belägen att ett varv av spolen är kopplat parallellt med avstämningskondensatorn 9 när omkopp- 8205551-Q se larens rörliga slid 18 (fig. 4) förbinder omkopplarens andra och tredje kontaktbleck med varandra. När den nämnda rörliga sliden 18 förbinder omkopplarens första och andra kontakt- bleck 13 resp. 14 med varandra är spolens samtliga varv kopp- lade parallellt över kondensatorn 9. Den rörliga sliden l8 förskjuts medelst en manöverstång l9, som är elektriskt iso- lerad från spolen och underlaget 6. När spolens samtliga tre varv är inkopplade parallellt över kondensatorn 7 sträcker sig antennens arbetsområde från ca 2 MHz till ca 7 MHz. När endast ett varv av spolen är inkopplat parallellt med konden- satorn 9 och övriga två varv i elektriskt avseende flyter fritt sträcker sig antennens användbara arbetsområde från ca 7 MHz till ca 30 MHz.One end 7 of the coil is by means of a disc 8 of electrically conductive material, e.g. copper, connected to the one coating (not shown) of a ceramic vacuum capacitor 9, which thus corresponds to the capacitor C shown in Fig. 1. The capacitance of the capacitor is adjustable between 5 and 1000 pF by turning a rod 10 which is mechanically connected to the axis of the capacitor. but which is electrically isolated from it. The other end 11 of the coil is by means of a disc 12 of electrically conductive material, e.g. copper, connected to a first contact plate 13 by the switch 3. This switch has a second contact plate 14 (Fig. 4) which by means of a disc 15 of electrically conductive material, e.g. copper, is connected to the other proofs of the capacitor 9 not shown. Furthermore, the switch 3 comprises a third contact plate 16 which by means of a contact terminal 17 of electrically conductive material, e.g. copper, is connected to a point on the coil so located that one revolution of the coil is connected in parallel with the tuning capacitor 9 when the movable slide 18 of the switch (Fig. 4) connects the second and third contact plates of the switch to each other. When the said movable slide 18 connects the first and second contact plates 13 and 2 of the switch, respectively. 14 with each other, all the coils of the coil are connected in parallel across the capacitor 9. The movable slide 18 is displaced by means of a control rod 19, which is electrically insulated from the coil and the substrate 6. When all three coils of the coil are connected in parallel across the capacitor 7 the operating range of the antenna from about 2 MHz to about 7 MHz. When only one revolution of the coil is connected in parallel with the capacitor 9 and the other two revolutions electrically flow freely, the useful operating range of the antenna extends from approx.

Skivorna 8 och 15 tjänstgör tillika som hållare för mekanisk fasthållning av avstämningskondensatorn 9.The discs 8 and 15 also serve as holders for mechanical holding of the tuning capacitor 9.

Kopplingsloopen Ll har kvadratisk form med sidlängden 27 cm.The coupling loop L1 has a square shape with a side length of 27 cm.

Kopplingsloopen uppvisar två hållare 20, 21 vilka är anordna- de i vardera änden av loopen och med hjälp av vilka loopen är fast förbunden med en cylindrisk stav 22, som är vridbart anordnad vid underlaget 6 för att medge vridning av kopplings- loopens plan relativt spolens L2 plan. När kopplingsloopens plan är anordnat vinkelrätt mot planet för loopen L2 är an- tennen grundavstämd för arbetsfrekvenser mellan ca 2 MHz till ca 16 MHz. Finavstämningen sker genom inställning av konden- satorn 9. När kopplingsloopens plan sammanfaller med planet för loopen L2 är antennen grundavstämd för frekvenser mellan ca 16 MHz till ca 30 MHz. Fininställningen sker genom trim- ning av avstämningskondensatorn 9.The coupling loop has two holders 20, 21 which are arranged at each end of the loop and by means of which the loop is fixedly connected to a cylindrical rod 22, which is rotatably arranged at the base 6 to allow rotation of the plane of the coupling loop relative to the coil. L2 plan. When the plane of the switching loop is arranged perpendicular to the plane of the loop L2, the antenna is basically tuned for operating frequencies between approx. 2 MHz to approx. 16 MHz. The fine tuning takes place by setting the capacitor 9. When the plane of the switching loop coincides with the plane of the loop L2, the antenna is ground tuned for frequencies between approx. The fine tuning is done by tuning the tuning capacitor 9.

För att anpassa kopplingsloopens Ll impedans till impedansen för den nämnda radiokommunikationsenheten finns den nämnda bredbandstransformatorn 2, vilken har formen av en toroid- kärna på vilken de i fig. l visade lindningarna finns antyd- da. Toroidkärnan är fastsatt mellan hâllarna 20 och 21 me- delst en ej visad stav av elektrisk isolerande material, vil- ken sträcker sig mellan nämnda hållare och genom toroidens 8203551-'3 6 centrum. Såsom inledningsvis omnämndes har jag funnit att denna transformator skall anslutas till kopplingsloopens undre sida på en plats belägen l/3 av längden av kopplingsloopens sida. Bredbandstransformatorns impedansomsättning är 5011: .200š1.Genom denna åtgärd får loopantennen de i fig. 5 visade karakteristiska inskärningarna 23, 24 i loopantennes horison- tella strålningsdiagram. Det är att märka att dessa inskär- ningar förekommer endast i antennens närområde. I områden längre bort är antennen rundstrålande i horisontalplanet.In order to adapt the impedance of the coupling loop L1 to the impedance of the said radio communication unit, there is said broadband transformer 2, which has the shape of a toroidal core on which the windings shown in Fig. 1 are indicated. The toroidal core is fastened between the holders 20 and 21 by means of a rod (not shown) of electrically insulating material, which extends between said holder and through the center of the toroid 8203551-'3 6. As mentioned in the introduction, I have found that this transformer should be connected to the lower side of the coupling loop at a place located 1/3 of the length of the side of the coupling loop. The impedance conversion of the broadband transformer is 5011: .200š1.Through this action, the loop antenna obtains the characteristic incisions 23, 24 shown in Fig. 5 in the horizontal radiation diagram of the loop antenna. It should be noted that these incisions occur only in the vicinity of the antenna. In areas further away, the antenna radiates in the horizontal plane.

Placeras bredbandstransformatorn i stället centralt på den undre sidan erhålles förvisso inskärningar, men inte alls lika kraftiga som ner till 30 dB. Det i fig. 5 visade strål- ningsdiagrammet har upptagits för frekvenserna 2,5, 4,0, 6,0, 8,0 och 14 MHz. Avståndet mellan loopantennen enligt uppfin- ningen och sändarantennen var 3,5 mm och kopplingsloopen var parallell med loopen L2. De koncentriska ringarna anger sig- nalens dämpning uttryckt i decibel räknat relativt en refe- renssignalnivå uppmätt i riktningen 00 (parallellt med loop- antennens plan). Den i fig. l visade koaxialkabeln l är dra-7 gen genom en ej visad central borrning i staven 22.If the broadband transformer is instead placed centrally on the lower side, incisions are certainly obtained, but not at all as powerful as down to 30 dB. The radiation diagram shown in Fig. 5 has been recorded for the frequencies 2.5, 4.0, 6.0, 8.0 and 14 MHz. The distance between the loop antenna according to the invention and the transmitting antenna was 3.5 mm and the coupling loop was parallel to the loop L2. The concentric rings indicate the attenuation of the signal expressed in decibels relative to a reference signal level measured in the direction 00 (parallel to the plane of the loop antenna). The coaxial cable 1 shown in Fig. 1 is pulled through a central bore (not shown) in the rod 22.

Under underlaget 6 finns kretsar för automatisk avstämning av antennen. Eftersom dessa kretsar inte utgör någon del av föreliggande uppfinning kommer de inte att beskrivas närmare.Under the base 6 there are circuits for automatic tuning of the antenna. Since these circuits do not form part of the present invention, they will not be described in more detail.

Slutligen bör påpekas att de angivna antenndimensionerna kan förminskas och att en motsvarande förhöjning av antennens arbetsområde därvid erhålles.Finally, it should be pointed out that the specified antenna dimensions can be reduced and that a corresponding increase in the working area of the antenna is thereby obtained.

Den visade utföringsformen av uppfinningen kan på många olika sätt modifieras och varieras inom ramen för uppfinningens grundtanke.The illustrated embodiment of the invention can be modified and varied in many different ways within the scope of the basic idea of the invention.

Claims

7 EXECUTIVE PATENT REQUIREMENTS

A loop antenna for radio communication, comprising an antenna element in the form of a multi-turn coil (L2), a coupling loop (L1) rotatably arranged inside the coil, a broadband transformer (2) connected between the coupling loop and a radio communication unit, a tuning capacitor (9) for parallel connection across the end points of the coil, as well as spacer elements (5, 22) of electrically insulating material for supporting the coil and the coupling capacitor and for insulating these units against ground, characterized by a switch (3) connected between one coating of the tuning capacitor (9) and at least one optional revolution on the coil (L2) for connecting said revolution of the coil parallel to the tuning capacitor and for extending upwards the useful frequency range of the loop antenna, and by the wideband transformer (2) is placed asymmetrically on the coupling loop.

Loop antenna according to claim 1, characterized in that the coupling loop is substantially square and that the broadband transformer is arranged at a point which is located on 1/3 of the length of the lower horizontal side of the loop.

Loop antenna according to claim 2, characterized in that the coil (L2) is square and has three turns, all of which are connected when the operating frequency of the radio communication unit is between about 2 and about 7 MHz and that only one turn of the coil is connected when said operating frequency is between about 7 MHz and about 30 MHz, whereby in the latter case current capacitances and inductance between the connected revolution and the others in electrically free-floating revolution causes an upward displacement of the usable frequency range of the loop antenna.

Loop antenna according to claim 1, characterized in that the switch (3) comprises a first contact plate (13) which is connected with a first disc (12) to one end of the coil 48.20355'1-U * Z, a second contact plate (14) connected by a second disc (15) to one liner of the tuning capacitor (9), a third contact plate (16) connected by a clamp (17) to the first turn of the coil and a movable contact slide ( 18) for connecting the second contact plate to either the first, than the third, and the second coating of the capacitor is connected to the other end (7) of the coil by means of a third disc (8).

Loop antenna according to claim 4, wherein the coil is made of copper tubes, characterized in that spacer elements (4) of insulating material are arranged between the individual turns of the coil and that the radial extent of the coil is large relative to its axial extent, wherein the coil goodness figures are better than 1000. 7