WO2019177491A1 - Резонансная спиральная антенна - Google Patents

Резонансная спиральная антенна Download PDF

Info

Publication number
WO2019177491A1
WO2019177491A1 PCT/RU2019/000117 RU2019000117W WO2019177491A1 WO 2019177491 A1 WO2019177491 A1 WO 2019177491A1 RU 2019000117 W RU2019000117 W RU 2019000117W WO 2019177491 A1 WO2019177491 A1 WO 2019177491A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
coil
resonant
spiral
secondary coil
antenna
Prior art date
Application number
PCT/RU2019/000117
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Дмитрий Витальевич ФЕДОСОВ
Андрей Викторович КОЛЕСНИКОВ
Алексей Владимирович НИКОЛАЕВ
Original Assignee
Дмитрий Витальевич ФЕДОСОВ
ФЕДОСОВА, Наталия Борисовна
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Дмитрий Витальевич ФЕДОСОВ, ФЕДОСОВА, Наталия Борисовна filed Critical Дмитрий Витальевич ФЕДОСОВ
Publication of WO2019177491A1 publication Critical patent/WO2019177491A1/ru

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q11/00—Electrically-long antennas having dimensions more than twice the shortest operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q11/02—Non-resonant antennas, e.g. travelling-wave antenna
    • H01Q11/08—Helical antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas

Definitions

  • the invention relates to the field of antenna technology, namely to small-sized resonant helical antennas.
  • variable capacitors tune the loop antenna into resonance and tune in the operating frequency range.
  • variable capacitors For the antenna to operate in sufficient power transmission mode, variable capacitors must have minimal losses, which can only be achieved by air or vacuum capacitors. Moreover, due to the high quality factor of the resonance, there is a risk of breakdown of these capacitors. To eliminate the risk of breakdown, variable capacitors must be large.
  • a known antenna according to the invention consisting of a primary coil connected to a power point, and a secondary resonant circuit containing a multi-turn loop antenna and capacitor.
  • the primary coil also contains a capacitor that provides resonance to the primary coil, and is connected to the secondary resonant circuit by inductive coupling.
  • the disadvantage of this invention is the impossibility of efficient operation in the transmission mode at a sufficient power while maintaining small overall dimensions.
  • the closest to the claimed invention is a resonant spiral antenna [JP patent 2015164270], consisting of a primary coil and secondary coils with volume spiral winding, not electrically connected to each other or to the excitation coil.
  • the primary coil is a frame connected to the power point, and is connected inductively with secondary coils having their own resonant frequencies, and excites them.
  • the disadvantage is the large dimensions of the spiral coils with volume winding and their low efficiency as radiating elements.
  • the technical result of the present invention is to reduce the overall dimensions, increase the efficiency of a resonant helical antenna and provide the possibility of transmitting at high power.
  • the specified technical result is achieved by the fact that in a resonant spiral antenna consisting of a primary coil connected to a power point and a secondary spiral coil, which is inductively coupled to a primary coil exciting it, according to the claimed invention, the secondary coil has a flat spiral winding conductor, consisting of N layers and M turns wound sequentially.
  • This form of the secondary coil leads to the fact that the vector of the electric field is directed from the center to the periphery of the secondary coil perpendicular to the magnetic field vector.
  • the resonant spiral antenna may in the secondary coil contain conductive regions (electrodes) located one in the center, the other on the periphery, electrically connected to the corresponding ends of the conductor of the secondary coil.
  • the resonant spiral antenna may comprise several planar secondary spiral coils electrically connected so that one end of one spiral coil is connected to one of the ends of the subsequent spiral coil.
  • the secondary coil can be connected by leads to a variable capacitor.
  • FIG. 1 - Resonant spiral antenna at the main point where M is the number of turns of the winding in the plane, N is the number of layers;
  • FIG. 2 Equivalent circuit of a resonant spiral antenna
  • FIG. 3 Explanation of the principle of operation of the antenna
  • FIG. 4 Option secondary coil with electrodes
  • FIG. 5 Resonance spiral antenna with an additional flat spiral coil
  • FIG. 6 Resonant spiral antenna with a capacitor of variable capacitance.
  • B ⁇ is the maximum overall size of the primary coil
  • B 2 is the maximum overall size of the secondary coil
  • M is the number of turns of the secondary coil in the plane
  • N is the number of layers of the secondary coil
  • a m is the distance between the turns
  • n is the distance between the layers.
  • the plane in which the primary coil lies and the plane in which the secondary coil lies can be spaced apart and oriented non-parallel, in addition, both of these planes may coincide.
  • the size B t (Fig. 1) may exceed B 2 .
  • the primary coil can be made of several consecutive turns.
  • the secondary coil of the claimed antenna can be made of stranded wire (littsendrata), wound on a dielectric frame.
  • the primary coil may be located along the contour of the frame.
  • FIG. Figure 2 shows the equivalent circuit of the resonant helical antenna of the present invention, on which the primary coil is equivalent to the inductance (1), and the secondary one is a cascade of U-shaped circuits, the inductors (2) of which are caused by spiral-wound conductors, and the capacitance (3) by inter-turn coupling.
  • a distinctive feature of this invention is the high coefficient of coupling to the primary coil, which is a flat frame, and the secondary coil, which is a flat spiral coil, which exceeds the coefficient of coupling of a flat frame to a three-dimensional spiral coil. As a result, the coefficient increases the usefulness of the antenna as a whole and simplicity of matching is ensured.
  • FIG. 3 Another feature is shown in FIG. 3: potential difference (voltage drop) and electric field intensity are directed in planar spiral coils radially from the periphery to the center, in volume coils - axially from the beginning of the spiral winding of the conductor to the end of the spiral winding.
  • potential difference voltage drop
  • electric field intensity are directed in planar spiral coils radially from the periphery to the center, in volume coils - axially from the beginning of the spiral winding of the conductor to the end of the spiral winding.
  • the latter feature makes it possible to construct a spiral coil with electrodes located one in the center, the other along the periphery, electrically connected to the corresponding ends of the spiral coil conductor, adding additional capacitance and increasing the electric component of the antenna radiation field, as shown in FIG. 4.
  • the electrode located on the periphery has a gap so that there is no ring current.
  • FIG. 5 shows a resonant helical antenna comprising several additional planar spiral coils electrically connected to a primary secondary coil.
  • the sizes of each additional spiral coil may differ from each other. In this case, depending on their relative position and location relative to the excitation frame, the resonant frequency will depend.
  • FIG. 6 shows the option of incorporating a variable capacitor into the secondary coil. This option is suitable for operation with a small input signal power. Changing the capacitance of the capacitor allows you to rebuild the resonant frequency in the region of lower frequencies relative to the frequency of the own resonance of the spiral of the secondary coil.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области антенной техники, а именно к малогабаритным резонансным антеннам. Техническим результатом является уменьшение габаритных размеров, увеличение максимальной подводимой мощности сигнала и повышение эффективности малогабаритных антенн. Резонансная спиральная антенна состоит из первичной катушки и вторичной катушки. Первичная катушка является рамкой, подключенной к точке питания. Вторичная катушка является плоской спиралью, намотанной проводником в N слоев и М витков. Первичная катушка и вторичная катушка связаны между собой индуктивной связью.

Description

Резонансная спиральная антенна
Изобретение относится к области антенной техники, а именно к малогабаритным резонансным спиральным антеннам.
Одной из основных проблем малогабаритных антенн является ограничение максимальной подводимой мощности сигнала.
Известны малогабаритные резонансные рамочные антенны [например, патент RU 2490761, патент US 5072233], которые представляют собой один или несколько витков проводника, подключенного к одному или нескольким конденсаторам переменной емкости. Конденсаторы переменной емкости настраивают рамочную антенну в резонанс и перестраивают по рабочему диапазону частот. Для работы антенны в режиме передачи на достаточную мощность, конденсаторы переменной емкости должны иметь минимальные потери, что могут обеспечить только воздушные или вакуумные конденсаторы. При этом вследствие высокой добротности резонанса существует риск пробоя указанных конденсаторов. Для устранения риска пробоя конденсаторы переменной емкости должны иметь большие габариты.
Недостатком данных антенн, таким образом, является невозможность эффективной работы в режиме передачи на достаточную мощность с сохранением малых массогабаритных показателей.
Известна антенна по изобретению [патент ЕР 3252959], состоящая из первичной катушки, подключенной к точке питания, и вторичного резонансного контура, содержащего многовитковую рамочную антенну и конденсатор. Первичная катушка также содержит конденсатор, обеспечивающий резонанс первичной катушки, и связана с вторичным резонансным контуром индуктивной связью.
Недостатком указанного изобретения является невозможность эффективной работы в режиме передачи на достаточную мощность с сохранением малых массогабаритных показателей.
Наиболее близкой заявленному изобретению является резонансная спиральная антенна [патент JP 2015164270], состоящая из первичной катушки и вторичных катушек с объемной спиральной намоткой, электрически не соединенных между собой или с катушкой возбуждения. Первичная катушка является рамкой, подключенной к точке питания, и связана индуктивной связью с вторичными катушками, имеющими собственные резонансные частоты, и возбуждает их.
Недостатком являются большие габариты спиральных катушек с объемной намоткой и их малая эффективность в качестве излучающих элементов.
Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение габаритных размеров, повышение эффективности резонансной спиральной антенны и обеспечение возможности работы на передачу на высокой мощности.
Указанный технический результат достигается тем, что в резонансной спиральной антенне, состоящей из первичной катушки, подключенной к точке питания, и вторичной спиральной катушки, которая связана индуктивной связью с возбуждающей её первичной катушкой, согласно заявленному изобретению вторичная катушка имеет плоскую спиральную намотку проводником, состоящую из N слоев и М витков, намотанных последовательно.
Такая форма вторичной катушки приводит к тому, что вектор напряженности электрического поля направлен от центра к периферии вторичной катушки перпендикулярно вектору магнитного поля.
Резонансная спиральная антенна может во вторичной катушке содержать токопроводящие области (электроды), расположенные одна в центре, другая по периферии, электрически соединенные с соответствующими концами проводника вторичной катушки.
Резонансная спиральная антенна может содержать несколько плоских вторичных спиральных катушек, электрически соединенных так, что один из концов одной спиральной катушки связан с одним из концов последующей спиральной катушки.
В резонансной спиральной антенне вторичная катушка может быть подключена выводами к конденсатору переменной ёмкости.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где:
Фиг. 1 - Резонансная спиральная антенна по основному пункту, где М - количество витков намотки в плоскости, N - количество слоев;
Фиг. 2 - Эквивалентная схема резонансной спиральной антенны; Фиг. 3 - Пояснение к принципу работы антенны;
Фиг. 4 - Вариант вторичной катушки с электродами;
Фиг. 5 - Резонансная спиральная антенна с дополнительной плоской спиральной катушкой;
Фиг. 6 - Резонансная спиральная антенна с конденсатором переменной емкости.
На Фиг. 1 Bί - максимальный габаритный размер первичной катушки, В2 - максимальный габаритный размер вторичной катушки, М - количество витков вторичной катушки в плоскости, N - количество слоев вторичной катушки, am - расстояние между витками, ап - расстояние между слоями.
Согласно настоящему изобретению, плоскость, в которой лежит первичная катушка, и плоскость, в которой лежит вторичная катушка, могут быть разнесены в пространстве и ориентированы не параллельно, помимо этого обе указанные плоскости могут совпадать. Например, в случае, если плоскости совпадают, размер Bt (Фиг. 1) может превосходить В2. Помимо этого, первичная катушка может быть выполнена из нескольких последовательных витков. Взаимным расположением первичной и вторичной катушек добиваются необходимого согласования антенны.
Конструктивно вторичная катушка заявляемой антенны может быть выполнена из многожильного провода (литцендрата), намотанного на диэлектрический каркас. Первичная катушка может быть расположена по контуру каркаса.
На Фиг. 2 приведена эквивалентная схема резонансной спиральной антенны по настоящему изобретению, на которой первичная катушка эквивалентна индуктивности (1), а вторичная - каскаду П-образных контуров, индуктивности (2) которых обусловлены проводниками со спиральной намоткой, а емкости (3) - межвитковой связью. Отличительной особенностью указанного изобретения является высокий коэффициент связи к первичной катушки, представляющей собой плоскую рамку, и вторичной катушки, представляющей собой плоскую спиральную катушку, который превышает коэффициент связи плоской рамки с объемной спиральной катушкой. Вследствие этого возрастает коэффициент полезного действия антенны в целом и обеспечивается простота согласования.
Еще одна особенность показана на Фиг. 3: разность потенциалов (падение напряжения) и напряженность электрического поля направлены в плоских спиральных катушках радиально от периферии к центру, в объемных - аксиально от начала спиральной намотки проводника до окончания спиральной намотки. Таким образом, в антенне возникающие электрические и магнитные поля перпендикулярны, что способствует увеличению излучающей способности антенны.
Последняя особенность позволяет сконструировать спиральную катушку с электродами, расположенными один в центре, другой по периферии, электрически соединенными с соответствующими концами проводника спиральной катушки, добавляющими дополнительную ёмкость и увеличивающими электрическую компоненту поля излучения антенны, как изображено на Фиг. 4. Электрод, находящийся по периферии, имеет разрыв, чтобы не возникало кольцевого тока.
На Фиг. 5 представлена резонансная спиральная антенна, содержащая несколько дополнительных плоских спиральных катушек, электрически соединенных с основной вторичной катушкой. Размеры каждой дополнительной спиральной катушки могут отличаться друг от друга. При этом, в зависимости от их взаимного расположения и расположения относительно рамки возбуждения, будет зависеть резонансная частота.
На Фиг. 6 представлен вариант включения во вторичную катушку конденсатора переменной ёмкости. Данный вариант пригоден для работы при небольшой подводимой мощности сигнала. Изменение ёмкости конденсатора позволяет производить перестройку резонансной частоты в область более низких частот относительно частоты собственного резонанса спирали вторичной катушки.

Claims

Формула изобретения
1. Резонансная спиральная антенна, состоящая из первичной катушки, подключенной к точке питания, и вторичной спиральной катушки, которая связана индуктивной связью с возбуждающей её первичной катушкой, отличающаяся тем, что вторичная катушка имеет плоскую спиральную намотку проводником, состоящую из N слоев и М витков, намотанных последовательно .
2. Резонансная спиральная антенна по п. 1, отличающаяся тем, что во вторичной катушке содержит токопроводящие области (электроды), расположенные один в центре, другой по периферии, электрически соединенные с соответствующими концами проводника вторичной катушки.
3. Резонансная спиральная антенна по п. 1, отличающаяся тем, что содержит одну или несколько дополнительных вторичных спиральных катушек, электрически соединенных с основной вторичной катушкой.
4. Резонансная спиральная антенна по п. 1, отличающаяся тем, что вторичная катушка подключена выводами к конденсатору переменной ёмкости.
PCT/RU2019/000117 2018-03-14 2019-02-25 Резонансная спиральная антенна WO2019177491A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018109181 2018-03-14
RU2018109181A RU2680674C1 (ru) 2018-03-14 2018-03-14 Резонансная спиральная антенна

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019177491A1 true WO2019177491A1 (ru) 2019-09-19

Family

ID=65479409

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2019/000117 WO2019177491A1 (ru) 2018-03-14 2019-02-25 Резонансная спиральная антенна

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2680674C1 (ru)
WO (1) WO2019177491A1 (ru)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1497667A1 (ru) * 1987-07-13 1989-07-30 Предприятие П/Я Р-6045 Плоска спиральна антенна
JP2015164270A (ja) * 2014-02-28 2015-09-10 国立大学法人茨城大学 アンテナ装置及び無線通信機
EP3252959A1 (en) * 2007-03-02 2017-12-06 Qualcomm Incorporated Wireless power apparatus and methods

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2490761C2 (ru) * 2011-08-09 2013-08-20 Государственное казенное образовательное учреждение высшего профессионального образования Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации (Академия ФСО России) Рамочная двухвитковая антенна в защитном корпусе

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1497667A1 (ru) * 1987-07-13 1989-07-30 Предприятие П/Я Р-6045 Плоска спиральна антенна
EP3252959A1 (en) * 2007-03-02 2017-12-06 Qualcomm Incorporated Wireless power apparatus and methods
JP2015164270A (ja) * 2014-02-28 2015-09-10 国立大学法人茨城大学 アンテナ装置及び無線通信機

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHI KWAN LEE ET AL.: "Printed Spiral Winding Inductor With Wide Frequency Bandwidth", IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, vol. 26, no. 10, 2011, XP011361067 *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2680674C1 (ru) 2019-02-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6436277B2 (ja) 磁界結合素子、アンテナ装置および電子機器
CN112002992B (zh) 天线装置以及电子设备
US9385682B2 (en) High frequency component and filter component
EP3545606B1 (en) Wireless power transfer to multiple receiver devices across a variable-sized area
CN107408918B (zh) 射频振荡器
CN210576468U (zh) 天线装置、通信系统及电子设备
US7034767B2 (en) Helical coil, Magnetic core antenna
CN106961165B (zh) 无线电能传输电路、无线电能发射端和无线电能接收端
CN109524195B (zh) 共模扼流圈以及无线充电用电路
CN113490858A (zh) 具有磁性天线的通信系统的参与者
RU98104593A (ru) Антенна с питанием от расположенных рядом катушек для портативного устройства радиосвязи
EP3319207B1 (en) Wireless power transmission device for transmitting power using magnetic field and electric field, and wireless power receiving device for receiving power from the wireless power transmission device
JP6164720B2 (ja) 結合共振器型の無線電力伝送システム
RU2680674C1 (ru) Резонансная спиральная антенна
JP2008206068A (ja) アンテナ装置
US20050242915A1 (en) Multi-tap coil
EP1403963B1 (en) AM Antenna Noise Reduction
JP6567329B2 (ja) 共振器
RU2142182C1 (ru) Магнитная антенна
RU2700332C1 (ru) Емкостная двухрезонансная укв антенна
JP2015220891A (ja) 共振器及び無線給電システム
US11469508B1 (en) Communications device with electrically small antenna and settable operating curve and related method
WO2014073395A1 (ja) 電気部品およびアンテナ
WO2021053502A1 (en) Method and apparatus for transmission of electrical energy (embodiments)
CN116057647A (zh) 谐振lc结构

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19767422

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19767422

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1