Высокочастотная антенна. Антенны на низкочастотные диапазоны

Предлагаем несложный вариант двухдиапазонной KB J-антенны, испытанной на диапазонах 21 и 28 МГц. Авторам давно хотелось практически проверить такую антенну в работе. Виктор, UA6G, взял на себя разработку и выполнение механической конструкции, а Владимир, UA6HGW, сделал необходимые расчёты и провел настройку антенны.

В KB и УКВ диапазонах широко используют различные вертикальные штыревые антенны. Причем чаще всего применяют четвертьволновые вертикальные вибраторы с системами противовесов или «искусственной земли», благодаря которым эти антенны и работают, будучи, в принципе, аналогами полуволнового вибратора. К сожалению, выполнить качественную систему «искусственной земли» или противовесов не так просто , а некачественная система резко снижает КПД антенны в целом. Тем не менее, антенны типа Ground Plane пользуются у радиолюбителей большой популярностью. При этом многие уделяют внимание лишь качественному выполнению самого четвертьволнового излучателя и, в связи с недостатком площади для размещения полноценной системы заземления», часто не обращают внимания на «землю», используя различные суррогатные системы противовесов либо заземления. Необходимо сделать оговорку, что в УКВ диапазоне такой проблемы практически не существует, т.к. основание антенны и противовесы можно поднять на достаточную высоту, что позволяет разместить систему, рассчитанную для работы даже на самых длинных метровых волнах.

Если площади для размещения антенн других типов недостаточно, то для высокочастотного участка KB диапазона лучше использовать вертикальный полуволновой вибратор, питаемый с нижнего конца и установленный без растяжек. Для согласования его высокого сопротивления с низким сопротивлением фидера используют различные согласующие устройства - как резонансные, так и широкополосные. Один из наиболее известных и простых способов согласования - с помощью четвертьволнового трансформатора сопротивлений. Причем различают два способа питания с помощью такого трансформатора - последовательный и параллельный .

При последовательном питании используется четвертьволновая линия, которая может быть выполнена в виде воздушной линии либо линии с твердым диэлектриком. Чаще для этого используют симметричные линии. Недостаток этого способа питания - необходимость установки на нижнем конце вибратора изолятора, что на KB диапазонах вызывает конструктивные трудности и снижает надежность конструкции.

При параллельном питании нижний конец линии трансформатора, который иногда называют шлейфом, можно закорачивать с вибратором и заземлять, что конструктивно более удобно, т.к. позволяет отказаться от применения громоздкого опорного изолятора. Точки подключения фидера в этом случае выбирают выше, на заранее рассчитанном расстоянии от нижнего конца линии, которое потом уточняют в процессе настройки антенны по минимуму КСВ. Это несколько затрудняет настройку антенны и сужает полосу рабочих частот, а также требует применения дополнительных мер для снижения антенного эффекта фидера.

В обоих случаях волновое сопротивление линии четвертьволнового трансформатора должно быть правильно рассчитано и одинаково на всем ее протяжении. Классической J-антенной чаще всего называют именно такую конструкцию. У нее длина основного вертикального элемента - излучатель плюс линия - составляет 3/4Lamda*К ,
где К - коэффициент укорочения, зависящий от конфигурации и поперечных размеров этих элементов.

Как показал опыт, эти размеры могут быть различными для разных участков излучателя и линии.

Радиолюбители чаще всего используют J-антенны в диапазоне УКВ и высокочастотной части KB диапазона, где их конструкции, обладая необходимой прочностью, не слишком сложны и громоздки.

Основной вертикальный элемент 1 (рис.1) - заземленная мачта, служащая также излучателем, выполнена из трех стальных труб разного диаметра, соединенных по телескопическому принципу. Трубы звеньев были точно подобраны по диаметрам так, чтобы они плотно входили друг в друга. Длина труб была выбрана с таким расчетом, чтобы конец одной заходил в другую на расстояние, достаточное для того, чтобы вся конструкция антенны прочно держалась и не качалась без растяжек. Поэтому точную длину всего вертикального элемента в сборе указать трудно, но она, по нашим расчетам, оказалась не менее 12 м. Нижняя труба - основание антенны длиной около 5 м и наружным диаметром 90 мм - была установлена на уровне земли на бетонном основании внутри небольшого помещения и выходила через отверстие в плоской железобетонной крыше 6, которая электрически соединена с контуром заземления. После сборки системы в узлах соединений трубы крепились с помощью двух винтов диаметром 10мм с гайками. Гайки были заранее надежно приварены к наружной поверхности на конце труб в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения согласующих элементов 2. Винты 7 вкручивали в гайки, зажимая основание трубы следующего звена.

Элементы 2 согласующих воздушных линий выполнены из стальной трубы диаметром 0,5 дюйма для диапазона 21 МГц и оцинкованного прутка диаметром около 8 мм для 28 МГц. В связи с тем, что элемент 1 и элементы 2 пришлось выполнить разного диаметра, некоторую сложность вызвал предварительный расчет размеров излучателей и воздушных линий, т.к. при такой конструкции коэффициенты укорочения К будут различными не только для разных диапазонов в соответствии с частотой, но и в связи с изменением соотношения диаметров труб. По этой причине для расчета было выбрано несколько различных приближенных практических формул. Они приведены в табл.1 вместе с результатами вычислений.

По нашему мнению, в подобных случаях расстояние D лучше указывать для воздушного промежутка между элементами 1 и 2, меньше которого его делать не следует. Расстояние С предварительно взято 0.03Lamda. Практика показала, что точное значение можно определить лишь после настройки конкретной антенны на выбранные частоты.

Первоначальный расчет антенны был сделан для работы в телеграфном участке диапазона 21 МГц. Все размеры для практического выполнения конструкции мы выбрали исходя из компромисса между реальными возможностями и расчетами, которые можно было корректировать, проверяя с помощью программы MMANA-GAL. Для обеспечения надежного электрического контакта с верхнего конца мачты к нижнему были проложены два медных проводника из антенного канатика в плоскости расположения согласующих элементов, которые дополнительно прикреплялись к каждому звену с помощью обычных плоских хомутиков, стягиваемых винтами с гайками. Чтобы не загружать рис.1, на нем условно показан только один из канатиков 3. На трубках согласующих линий также желательно закрепить дополнительные медные проводники из антенного канатика либо одножильного медного провода. При выборе таких конструктивных решений была учтена «склонность» некоторых граждан к «охоте» за цветным металлом, поэтому большинство основных элементов были выполнены из стали. Следует учесть, что при использовании разнородных металлов может возникнуть их коррозия, и как результат - увеличение шумов при приеме. Поэтому желательно использовать металлы, расположенные в гальваническом ряду как можно ближе друг к другу, или прибегнуть к дополнительным мерам (например, к облуживанию медных проводников свинцово-оловянным припоем и улучшению контактов с помощью пайки). Это относится даже к мелким элементам, используемым в конструкциях, - к болтам, шайбам, гайкам и т.п.

В табл.2 приведена часть гальванического ряда наиболее часто используемых металлов.

Другой особенностью конструкции является то, что элементы согласующих линий пришлось выполнить из стальной трубки и прутка меньшего диаметра, чем вибратор, т.е. не так, как рекомендуется в литературе. Поэтому расстояние между вибратором и согласующими вертикальными элементами 2 было выбрано компромиссное и оказалось несколько меньше расчетного, полученного с помощью программы MMANA. Это вызывало некоторые сомнения в возможности получения хорошего согласования с кабелем питания. В линиях установлены еще несколько важных элементов, которые не показаны на рис.1, чтобы не загружать его. Это пластины, установленные для прочности и фиксации воздушного промежутка между вибратором и согласующими линиями. Их нужно выполнить из изоляционного материала с хорошими изоляционными свойствами на высоких частотах, не теряющего их под воздействием влажности (например, из стеклотекстолита или оргстекла, по несколько штук для элемента 2 каждого диапазона). Причем нижние пластины можно объединить непосредственно с хомутиками 5, а верхние установить ближе к концам линий. Их положение можно изменять при настройке, фиксируя металлические хомутики на трубах винтами. С помощью хомутиков 5 можно регулировать точки подключения кабеля, центральная жила и оплетка которого должны быть надежно соединены с ними, лучше всего с помощью пайки. Для облегчения процесса настройки на согласующих звеньях также установлены подвижные хомутики 4, с помощью которых можно подбирать полную рабочую длину вибратора антенны и длину согласующих элементов. После окончательной настройки их желательно соединить с дополнительными медными проводниками 3.

Сомнения вызывал вопрос выбора наилучшего варианта подключения центральной жилы кабеля и оплетки . В литературе трудно найти конкретный ответ, т.к. встречаются различные варианты, т.е. подключение к согласующим элементам либо к основному вибратору, что чаще используют в УКВ диапазоне. На удивление, практически выяснилось, что в данном случае хорошего согласования можно достичь, только подключив центральную жилу к элементам 2, а оплетку - к вибратору 1.

Процесс предварительной настройки антенны оказался сложным, но, в итоге, успешным. Настройка осуществлялась с помощью прибора MFJ259. Затем ее результаты корректировались по показаниям КСВ-метра уже при достаточной мощности передатчика, и окончательно - при полной мощности в разных участках диапазонов.

Так как в антенне используется параллельное питание, проявились все его недостатки. Два 50-омных кабеля фидеров 8 марки РК50-9-12 были проложены внутри основной мачты, для чего в ней пришлось сделать 4 отверстия необходимого диаметра. Этого оказалось недостаточно, и на выходе из мачты излишки кабелей пришлось свернуть в две отдельные бухты, что позволило уменьшить антенный эффект. Переключение антенны с одного диапазона на другой производилось без каких-либо переключателей, с помощью разъемов, что не исключает применение специальных коаксиальных переключателей, механических или на коаксиальных реле.

Антенну первоначально изготовили и настроили в телеграфный участок диапазона 21 МГц. Как показала практика, вначале необходимо подобрать длину вибратора А1 и линии В1, настроив их на необходимую резонансную частоту с помощью подвижного хомутика-перемычки 4, который фиксируется винтами с гайками. Это лучше всего сделать, используя индикатор резонанса (ГИР) или анализатор антенн (например, MFJ259), если к нему имеются специальные дополнительные элементы, позволяющие осуществлять связь прибора с антенной без подключения к ней. Затем надо предварительно выбрать расстояние С1 - т.е. место подключения кабеля по минимуму КСВ на выбранной частоте, регулируя его хомутиками 5, и откорректировать настройку более точно, несколько раз повторив все указанные регулировки.

После испытания антенны на этом диапазоне, убедившись, что она достаточно эффективна, мы добавили к ней элементы согласования для диапазона 28 МГц и настроили систему на этот диапазон тем же способом. После того как настроили антенну для этого диапазона, пришлось немного откорректировать согласование на 21 МГц и затем опять проверить настройку на 28 МГц. В процессе корректировки подстройку на разных диапазонах приходилось повторять несколько раз. При практической работе на диапазоне 28 МГц мы также неоднократно убеждались в высокой эффективности антенны, т.к. при небольшой мощности удавалось успешно проводить радиосвязи как с ближними, так и с дальними корреспондентами.

На рис.2 и 3 показана зависимость КСВ от частоты, полученная в итоге настройки для диапазонов 21 и 28 МГц, а на рис.4 и 5 - диаграммы направленности, полученные в соответствии с расчетами для оптимальных вариантов J-антенны по программе MMANA.

Необходимо отметить, что хорошей работе антенны, вероятно, способствовал и тот факт, что вблизи на значительном расстоянии не было никаких более высоких посторонних предметов, т.к. иногда ее хорошая работа даже удивляла тем, что дальние корреспонденты давали более высокие оценки сигнала по сравнению со станциями, работающими недалеко от нашего населенного пункта и использующими направленные антенны и более мощные передатчики.

Подобную конструкцию, по нашему мнению, можно предложить и для других высокочастотных KB диапазонов, пересчитав антенну. Вероятно, к ней можно добавить верхнее звено, рассчитанное для работы на 144МГц. Примеры подобных комбинированных J-антенн в практике имеются.

За время использования антенны на трансивере мощностью не более 100 Вт удалось провести большое количество дальних радиосвязей. Это подтвердило, что она не только эффективно работает при передаче, но и обеспечивает хороший дальний прием с низким уровнем помех. Конструкция оказалась прочной и надежной - антенна простояла уже более 5 лет и, несмотря на очень сложные, резко меняющиеся метеоусловия в нашем регионе, хорошо выдержала все испытания.

Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.

Антенны - преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование - электромагнитную волну, в ВЧ колебания.

Диаграмма направленности - графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.

Антенны

Симметричный вибратор

В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.

Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.

Диаграмма направленности симметричного вибратора

В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.

В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:

Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.

Несимметричный вибратор

Или попросту штыревая антенна, представляет из себя «половину» симметричного вибратора, установленного вертикально.
В качестве длины вибратора, применяют 1, 1/2 или 1/4 длины волны.

Представляет собой рассеченную вдоль «восьмерку». За счет того, что вторая половина «восьмерки» поглощается землей, коэффициент направленного действия у несимметричного вибратора в два раза больше, чем у симметричного, за счет того, что вся мощность излучается в более узком направлении.
Основное применение, в диапазонах ДВ, КВ, СВ, активно устанавливаются в качестве антенн на транспорте.

Наклонная V-образная

Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V

Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.

Антенна бегущей волны

Также имеет название - антенна наклонный луч.

Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны. Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.

Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:

Антенна волновой канал

Здесь: 1 - фидер, 2 - рефлектор, 3 - директоры, 4 - активный вибратор.

Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор - активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.

За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:

Рамочная антенна

Направленность - двулепестковая

Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.

Как разновидность - рамочная антенна с рефлектором:

Логопериодическая антенна

Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.

Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 - это довольно высокий коэффициент.
Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
Диаграмма направленности следующая:

Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.

Поляризация

Поляризация - это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.
Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.

Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный - горизонтальную.

Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.

При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.

Все эти факторы факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.

PS:

Данная статья обрисовывает лишь небольшую часть антенн и не претендует на замену учебнику антенно-фидерных устройств.

Изобретение относится к области телекоммуникационных технологий, а более конкретно к конструкциям сканирующих высокочастотных антенн. Технический результат - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения полного кругового сканирования. Для этого цилиндрическая сканирующая антенна бокового излучения содержит: цилиндрический волновод, образованный двумя (верхним и нижним) параллельными металлическими дисками; диэлектрический цилиндр, являющийся заполнением цилиндрического волновода и выполненный с возможностью функционирования как в качестве согласующего трансформатора между цилиндрическим волноводом и свободным пространством, так и в качестве диаграммообразующего элемента; прямоугольную решетку излучателей, ориентированных нормально плоскости самой решетки, помещенную осесимметрично в цилиндрический волновод, причем плоскость решетки расположена параллельно основанию цилиндрического волновода; два металлических цилиндра, расположенные соответственно над верхним и под нижним дисками и выполненные с возможностью функционирования в качестве вспомогательных цилиндрических излучателей, корректирующих диаграммы направленности в угломестной плоскости. 6 з.п.ф-лы, 10 ил.

Рисунки к патенту РФ 2510552

Изобретение относится к области телекоммуникационных технологий, а более конкретно к конструкциям сканирующих высокочастотных антенн.

Антенны со сканирующим в пространстве направленным лучом представляют особый тип антенн, использующихся в радарной технике и в средствах коммуникации. По способу сканирования делятся на антенны механического, электронного и смешанного типа. В настоящее время наиболее перспективными считаются антенны с электронным сканированием луча, имеющие явные преимущества по быстродействию, надежности. Электронное сканирование осуществляется планарными, линейными и конформными антенными решетками. Планарные и линейные решетки менее сложны конструктивно и технологически, однако у них имеется существенный недостаток, а именно они позволяют осуществлять сканирование лишь в ограниченных углах полусферы (планарные) или полуокружности (линейные). Чтобы обеспечить полное круговое сканирование, применяются конформные решетки, имеющие форму цилиндров или многогранников. Излучающие элементы в таких решетках размещены на боковой поверхности. Подобные решетки имеют значительные объемные размеры, а их пространственный монтаж отличается большой трудоемкостью. Круговое сканирование в них, как правило, осуществляется путем включения части всех элементов, что требует применения сложных коммутационных схем. Следует отметить, что существуют также низкопрофильные конформные решетки, построенные на основе плоской линзы Люнеберга, но и в этом случае, чтобы реализовать полное круговое сканирование, такие антенны должны иметь сложные схемы коммутации и запитки.

Известные типы антенных решеток, осуществляющих круговое сканирование луча, имеют такие недостатки, как трудоемкость изготовления, наличие сложных запитывающе-коммутационных цепей и частичное использование всех излучающих элементов.

Антенна, представленная в патенте США № 4143380 , осуществляет круговое сканирование луча путем переключения элементов, расположенных на боковой поверхности цилиндра. К недостаткам такой конструкции следует отнести трудность монтажа антенны, невозможность создания антенны, интегрированной с многоканальным приемо-передающим устройством. Наличие коаксиальных линий ограничивает применение данной антенны в миллиметровом диапазоне. К тому же антенна имеет значительную высоту, что делает невозможным ее применение в очень малых устройствах, таких как сотовые телефоны или планшетные компьютеры.

Антенная решетка с круговым обзором, предложенная в патенте США № 4414550 , имеет технологичную низкопрофильную конструкцию, позволяющую реализовывать печатную технологию. Однако для реализации сканирования она требует сложной схемы с высокочастотными фазовращателями. Кроме того, поскольку одновременно задействована только часть элементов решетки, снижается ее эффективность как целой единицы.

В патенте РФ № 2305879 описана сканирующая антенная решетка, содержащая излучающую структуру в виде двумерной решетки из отверстий в металлическом диске и источник плоского фронта волны в виде слоя диэлектрика на металлическом основании и возбудителя слоя диэлектрика, который выполнен в виде открытого конца плоского волновода с расширением верхней стенки рупорного типа. Данная конструкция позволяет изготавливать компактные сканирующие антенны, однако не позволяет добиться полноценного кругового сканирования.

Подобный же недостаток присущ и конструкции антенной решетки, описанной в патенте США № 3392394 . Эта конструкция представляет собой планарную линзу Люнеберга с системой облучателей, расположенных по боковой поверхности линзы, и относительно несложной схемой запитки. Однако ввиду того, что излучатели и цепи коммуникации вынесены за пределы линзы, вся конструкция имеет значительные размеры в плоскости линзы. Кроме того, если используется однослойная линза, то невозможно осуществить полное круговое сканирование из-за затенения противоположных излучателей. Чтобы избежать этого, в применена двухслойная линза, где внутренние и наружные излучатели разнесены по слоям и поэтому при сканировании не влияют друг на друга. Однако, это ведет к усложнению схемы запитки из-за наличия большого числа направленных ответвителей, кроме того, увеличивается толщина всей антенны, что также делает ее невозможной к применению в очень компактных устройствах.

Наиболее близкими к заявляемому изобретению признаками обладает техническое решение, раскрытое в патенте США № 6987493 и предназначенное для кругового сканирования. Предложенная в антенна состоит из вертикальных монополей, расположенных над проводящей плоскостью. Излучаемая центральным монополем изотропная волна приобретает направленность путем воздействия на нее пассивных монополей, расположенных осесимметрично. Фаза волны, переизлученной этими вибраторами, варьируется посредством перестраиваемых конденсаторов. К недостаткам такой антенны можно отнести необходимость использования перестраиваемых конденсаторов, что делает невозможным применение такой конструкции в миллиметровом диапазоне или же приведет к значительным потерям и слабовыраженной направленности. К тому же наличие только одного активного излучателя не позволяет использовать многоканальные приемные устройства с низкочастотным управлением фазой. Также из-за малого количества пассивных переизлучателей невозможно добиться большей направленности в плоскости Н.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы разработать усовершенствованную конструкцию высокочастотной антенны с круговым сканированием, причем основными требованиями к такой антенне являются компактность и простота реализации.

Технический результат достигается за счет применения нового подхода к конструированию простой и компактной сканирующей антенны, которая включает в себя:

Цилиндрический волновод с диэлектрическим заполнением, образованный двумя параллельными металлическими дисками;

Прямоугольную решетку излучателей, ориентированных нормально плоскости самой решетки, помещенную осесимметрично в цилиндрический волновод, причем плоскость решетки расположена параллельно основанию цилиндрического волновода с расстоянием между элементами решетки в обоих направлениях, равным , где

F - длина волны в заполненном цилиндрическом волноводе;

Два металлических цилиндра с боковым пазом, расположенные соответственно над верхним и под нижним дисками и выполненные с возможностью функционирования в качестве вспомогательных цилиндрических излучателей, корректирующих диаграммы направленности в угломестной плоскости.

Отсутствие сложных цепей запитки с высокочастотными коммутаторами, а также возможность управления лучом на низкой частоте преобразования существенно упрощает процесс изготовления антенны. Компактность достигается за счет того, что диаграммообразующая решетка помещена внутрь цилиндрического волновода, который одновременно является корпусом антенны, в отличие от других типов цилиндрических решеток, где излучатели размещаются на наружной боковой стороне цилиндра. Кроме того, данная структура антенны, обеспечивающая хорошую согласованность с пространством, позволяет делать устройство низкопрофильным и привлекать высокопроизводительную технологию печатных антенн.

Ввиду того, что для управления лучом требуются значения фаз, кратные 90 градусам, допустимо осуществлять управление по низкой частоте, исключив использование сложных высокочастотных фазовращателей, имеющих значительные потери особенно в миллиметровом диапазоне. К тому же фазовый метод кругового сканирования делает антенну более эффективной, так как позволяет использовать все элементы одновременно. В других антеннах подобного типа круговое сканирование осуществляется путем переключения части элементов. Ввиду этого использование всех элементов одновременно невозможно в принципе, поэтому снижается эффективность их использования в многоканальных приемных устройствах.

Одна из конструктивных особенностей заявляемой конструкции заключается в применении двумерной прямоугольной решетки монопольных излучателей, расположенных нормально общей плоскости. Шаг решетки в обоих измерениях составляет четверть длины волны в цилиндрическом заполненном волноводе. Вся решетка помещена осесимметрично между двумя параллельными металлическими дисками, образующими цилиндрический волновод. Пространство между дисками заполнено диэлектриком, конструктивно выполненным в виде цилиндра, соосного с дисками, но с большим радиусом. На верхнем и нижнем диске также соосно установлены два металлических цилиндра, причем в боковой поверхности каждого цилиндра имеется концентрический паз.

При возбуждении всех излучателей с соответствующими фазами в пространстве между дисками распространяется неизотропная цилиндрическая волна, имеющая определенную направленность. При изменении фазовых соотношений направление вектора распространения меняется относительно центра волновода. Далее волна излучается в пространство боковой частью цилиндра. Поскольку решетка излучателей формирует волну с определенным фазовым фронтом и распространением, то диаграмма направленности будет иметь ширину в азимутальной плоскости, зависящую от количества излучателей, и положение, зависящее от фаз возбуждения. Таким образом, меняя фазовые соотношения между излучателями, можно осуществлять круговое сканирование. Для формирования диаграммы направленности в угломестной плоскости используются две дополнительные цилиндрические структуры, установленные на верхней и нижней сторонах основной антенны. Цилиндры являются пассивными переизлучателями, корректирующими фронт основной волны.

На чертежах:

Фиг.1 - общий вид высокочастотной цилиндрической антенны бокового излучения с круговым сканированием:

1 - проводящий диск;

2 - диэлектрический цилиндр;

3 - излучатель;

4 - выступающая часть диэлектрического цилиндра;

5 - верхний цилиндр;

6 - нижний цилиндр;

7 - кольцевой паз;

8 - микродиск.

Фиг.2 - структура полей, формируемых антенной.

Фиг.3 - образование направленной волны в цилиндрическом волноводе.

Фиг.4 - функциональное назначение цилиндров 5 и 6.

Фиг.5 - графики коэффициента отражения.

Фиг.6 - принцип образования направленной волны в цилиндрическом волноводе.

Фиг.7 - фазовое распределение для углов отклонения 90 и 45 градусов.

Фиг.8 - фазовые распределения для семейства углов сканирования от 11 до 78 градусов.

Фиг.9 - графики диаграмм направленности антенны.

Фиг.10 - вариант видоизмененной антенны и ее диаграммы направленности.

Основу антенны (см. Фиг.1) представляет открытый цилиндрический волновод, образованный двумя металлическими дисками 1, в котором диэлектрический цилиндр 2 является средой заполнения волновода. Часть диэлектрического цилиндра 2, выступающая за пределы волновода, является согласующим элементом между цилиндрической волной и волной свободного пространства. Одновременно она, как диэлектрическая волноведущая структура, формирует диаграмму направленности в угломестной плоскости. Каждый излучатель 3, расположенный в пространстве цилиндрического волновода, возбуждает цилиндрическую волну, изотропно расходящуюся от излучателя к краю цилиндра, и в случае использования одного излучателя будет излучаться выступающей частью диэлектрического цилиндра 4 в пространство (см. Фиг.2). Чтобы реализовать направленное излучение в азимутальной плоскости антенны, необходимо в цилиндрическом волноводе сформировать направленную волну.

В данной конструкции антенны особое значение имеет согласование элементов антенны. Хотя согласование одиночного излучателя 3 внутри цилиндрического волновода не вызывает проблем, излучатель в составе решетки имеет значительные потери на отражение вследствие очень близкого расположения элементов и, как результат, сильной взаимной связи. В результате воздействия этих перекрестных связей интегральный коэффициент отражения всей решетки может значительно возрасти, что приведет к большим потерям и искажениям диаграммы направленности.

Результирующий нормированный коэффициент отражения на i-ом элементе определяется как

где S jj - комплексный коэффициент взаимной связи между i-ым и j-ым элементом. При i=j коэффициент представляет собой значение собственного отражения i-го элемента.

Чтобы идеально согласовать каждый элемент, требуется выполнение условия:

Абсолютная величина взаимной связи в данной решетке очень значительна (для соседних элементов составляет -7 дБ). Вследствие этого для согласования элемента в окружении требуется вводить значительное его первоначальное рассогласование, хотя для некоторых элементов окружения выполняется условие S ij =-S ik и происходит их взаимная компенсация. Это происходит ввиду того, что пара равноудаленных элементов окружения имеет противоположное по фазе возбуждение (-90 и +90 градусов) и при наведении на расположенный между ними элемент их поля вычитаются.

Одним из методов добиться требуемого рассогласования является изменение входного импеданса излучателя 3 путем изменения электрической длины каждого излучателя.

Так, импеданс монопольного излучателя в первом приближении определяется как

где b=F(z)sin l-F(l)sin |z|+G(l)cos z-G(z)cos l

а - радиус излучателя, l - длина излучателя.

Меняя длину излучателя, можно в широких пределах менять характер и величину импеданса. Для лучшего согласования каждый излучатель снабжен металлическим микродиском 8, который увеличивает эффективную длину излучателя.

На Фиг.5 приведены значения коэффициента отражения для отдельного излучателя и интегрального коэффициента отражения всей решетки, который и определяет общие потери антенны на отражение:

где Si - комплексный коэффициент отражения i-го излучателя.

Для формирования направленной по оси X цилиндрической волны необходимо выполнение условия:

где ij - фаза возбуждения элемента i-го ряда j-й строки (см. Фиг.6, вид 6.1).

В этом случае волна, распространяясь от элемента, будет складываться в фазе с волной последующего элемента при условии, что расстояние между элементами равно четверти длины волны. Обратная же волна, складываясь с волной предыдущего элемента в противофазе, распространяться не будет, а будет отражаться обратно (см. Фиг.6, вид 6.2). Линии равных фаз в общем случае параллельны и расположены перпендикулярно вектору распространения (в данном случае параллельно оси Y).

Очевидно, что если линии равных фаз повернуть на 90 градусов относительно центра координат, то при расстоянии между излучателями 3, равном четверти длины волны, направление распространения тоже повернется на 90 градусов (см. Фиг.7, вид 7.1). Соответственно, фазы возбуждения должны иметь приращение -90 градусов в направлении распространения.

Также для того, чтобы направление распространения было повернуто на 45 градусов, линии равных фаз должны быть повернуты на 45 градусов (см. Фиг.7, вид 7.2). Однако в этом случае расстояние между соседними линиями равнофазного возбуждения будет равно и условия формирования направленной волны несколько нарушаются. Но если установить изначальное расстояние между элементами по оси X и Y, равное , то возможность направленного распространения будет сохраняться для любых направлений. Чтобы повернуть вектор распространения на углы, занимающие промежуточное значение, требуются комбинированные линии равных фаз, имеющие вид ломаной.

На Фиг.8 последовательно показаны линии фазового распределения для углов - 11; 22,5; 33; 56; 67; 78 градусов.

Данная система характеризуется тем, что значение фазы в любом случае кратно 90 градусам. Это позволяет осуществлять управление с помощью луча элементами низкочастотного тракта, не применяя высокочастотные фазовращатели, имеющие значительные потери и увеличивающие габариты антенны. Очевидно, что благодаря осевой симметрии всей антенны, можно осуществлять сканирование луча в пределах полной окружности.

На Фиг.9, вид 9.1, показаны диаграммы направленности антенны для некоторых углов сканирования. Можно видеть, что в плоскости азимута осуществляется достаточно равномерное перекрытие даже с шагом в 22.5 градуса. Добиться еще большей сглаженности можно используя шаг в 11 градусов.

Диаграммы направленности в угломестной плоскости показаны на Фиг.9, вид 9.2. Для углов ±45 от плоскости азимута обеспечивается уровень усиления не менее 6 дБ.

Данная структура антенны имеет симметричную диаграмму направленности в угломестной плоскости с максимумом в азимутальной плоскости. Иногда требуется получить диаграмму со смещенным максимумом излучения. Для этого можно боковой профиль антенны реконфигурировать, как показано на Фиг.10, вид 10.1. Из него видно, что нижняя сторона диэлектрического цилиндра полностью закрыта металлом.

Благодаря этому образуется волноводная структура в виде слоя диэлектрика над металлическим экраном. Антенны, построенные на таких структурах, имеют диаграммы направленности с лучом, отклоненным в сторону, противоположную экрану. На Фиг.10, вид 10.2, представлена диаграмма направленности, смещенная в угломестной плоскости.

Антенна имеет низкопрофильную структуру. Поэтому диэлектрический цилиндр 2 может быть выполнен на основе ламинированного диэлектрика. Верхний и нижний диски 1, образующие цилиндрический волновод, выполнены печатным способом. Излучатели 3 конструктивно представляют собой металлизированные отверстия, выполненные в диэлектрике. Реактивные элементы в виде микродисков 8 являются одновременно металлизированными площадками, необходимыми при металлизации отверстий. Таким образом, антенна в основном может быть изготовлена высокопроизводительным методом печатных технологий.

Верхний и нижний цилиндры 5 и 6 соединяются с дисками 1 преимущественно посредством пайки. Нижняя, компланарная, часть излучателей позволяет легко реализовать соединение с многоканальным приемо-передающим устройством, выполненным на отдельной микросхеме.

Данное изобретение может быть использовано в средствах коммуникации, где требуется осуществлять надежный прием с меняющегося направления и пространственное подавление интерферирующих направлений при малых размерах устройства. В частности, это могут быть устройства WiFi и WiGig коммуникации, устройства телевизионного приема для подвижных объектов, радары для автомобилей, осуществляющие круговой обзор.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Цилиндрическая сканирующая антенна бокового излучения, содержащая:

Цилиндрический волновод с диэлектрическим заполнением, образованный двумя параллельными металлическими дисками - верхним и нижним;

Диэлектрический цилиндр, расположенный между вышеупомянутыми дисками и являющийся заполнением цилиндрического волновода, при этом диэлектрический цилиндр выполнен с возможностью функционирования как в качестве согласующего трансформатора между цилиндрическим волноводом и свободным пространством, так и в качестве диаграммообразующего элемента;

Прямоугольную решетку излучателей, ориентированных нормально плоскости самой решетки, помещенную осесимметрично в цилиндрический волновод, причем плоскость решетки расположена параллельно основанию цилиндрического волновода с расстоянием между элементами решетки в обоих направлениях, равным , где f - длина волны в заполненном цилиндрическом волноводе;

Два металлических цилиндра - верхний и нижний - с боковым пазом, расположенные соответственно над верхним и под нижним дисками и выполненные с возможностью функционирования в качестве вспомогательных цилиндрических излучателей, корректирующих диаграммы направленности в угломестной плоскости.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что нижний металлический диск и нижний металлический цилиндр имеют радиусы больше, чем у верхних соответствующих частей, и равные радиусу цилиндрического волновода.

3. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что верхний и нижний цилиндры соединяются с соответствующими дисками преимущественно посредством пайки.

4. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что диэлектрический цилиндр выполнен из ламинированного диэлектрика.

5. Антенна по п.4, отличающаяся тем, что диэлектрический цилиндр снабжен согласующим устройством в виде выступающей части цилиндра, выполненного с возможностью согласования <-20 дБ при высоте волновода ~ /4 и высоте излучателя -0,12 .

6. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что верхний и нижний диски, образующие цилиндрический волновод, выполнены печатным способом.

7. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что излучатели конструктивно представляют собой металлизированные отверстия, выполненные в диэлектрике.

частотный диапазон электромагнитного излучения (100ё 300 000 млн. герц), расположенный в спектре между ультравысокими телевизионными частотами и частотами дальней инфракрасной области. Этот частотный диапазон соответствует длинам волн от 30 см до 1 мм; поэтому его называют также диапазоном дециметровых и сантиметровых волн. В англоязычных странах он называется микроволновым диапазоном; имеется в виду, что длины волн очень малы по сравнению с длинами волн обычного радиовещания, имеющими порядок нескольких сотен метров.

Так как по длине волны излучение СВЧ-диапазона является промежуточным между световым излучением и обычными радиоволнами, оно обладает некоторыми свойствами и света, и радиоволн. Например, оно, как и свет, распространяется по прямой и перекрывается почти всеми твердыми объектами. Во многом аналогично свету оно фокусируется, распространяется в виде луча и отражается. Многие радиолокационные антенны и другие СВЧ-устройства представляют собой как бы увеличенные варианты оптических элементов типа зеркал и линз.

В то же время СВЧ-излучение сходно с радиоизлучением вещательных диапазонов в том отношении, что оно генерируется аналогичными методами. К СВЧ-излучению применима классическая теория радиоволн, и его можно использовать как средство связи, основываясь на тех же принципах. Но благодаря более высоким частотам оно дает более широкие возможности передачи информации, что позволяет повысить эффективность связи. Например, один СВЧ-луч может нести одновременно несколько сотен телефонных разговоров. Сходство СВЧ-излучения со светом и повышенная плотность переносимой им информации оказались очень полезны для радиолокационной и других областей техники.

СВЧ-полупроводниковые приборы и их применение . М., 1972
Мощные электровакуумные приборы СВЧ . М., 1974
Полупроводниковые приборы в схемах СВЧ . М., 1979

Найти "СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ДИАПАЗОН " на

Изобретение относится к антеннам. Заявлена индуктивная антенна, сформированная из, по меньшей мере, двух пар сегментов, геометрически состыкованных друг с другом, каждая из которых содержит первый и второй параллельные проводники, изолированные друг от друга, при этом упомянутые пары относятся к первому типу, в котором проводники прерываются в своих средних точках, образуя два сегмента, причем первый (соответственно второй) проводник одного сегмента подключен ко второму (соответственно первому) проводнику другого сегмента пары, или ко второму типу, в котором первый проводник прерывается приблизительно в своей средней точке, образуя два сегмента, и второй проводник не прерывается. Техническим результатом является обеспечение большой индуктивной антенны, адаптированной к передачам в диапазоне частот от одного МГц до нескольких сотен МГц. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 11 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в общем случае относится к антеннам и в частности к формированию высокочастотной индуктивной антенны.

Изобретение, в частности, применяется к антеннам, предназначенным для передач на радиочастотах порядка нескольких МГц, например для систем связи на основе бесконтактных чиповых карт, радиометок или электромагнитных приемоответчиков.

Уровень техники

На фиг.1 очень схематично показан пример индуктивной системы связи наподобие той, к которой, в порядке примера, применяется настоящее изобретение.

Такая система содержит считывающее устройство или базовую станцию 1, генерирующую электромагнитное поле, которое могут регистрировать один или несколько приемоответчиков 2, находящихся в этом поле. Такие приемоответчики 2 представляют собой, например, электронную метку 2", установленную на объекте в целях идентификации, бесконтактную смарт-карту 2” или, в более общем случае, любой электромагнитный приемоответчик (обозначенный блоком 2 на фиг.1).

На стороне считывающего устройства 1 последовательный резонансный контур сформирован из резистора r, конденсатора C1 и индуктивного элемента L1 или антенны. Этот контур возбуждается высокочастотным генератором 12 (ВЧ), управляемым (соединение 14) другими схемами, которые не показаны, базовой станции 1. Высокочастотная несущая, в общем случае, модулируется (по амплитуде и/или по фазе) для передачи данных на приемоответчик.

На стороне приемоответчика 2 резонансный контур, в общем случае параллельный, содержит индуктивный элемент или антенну L2, соединенную параллельно с конденсатором C2 и с нагрузкой R, представляющей электронные схемы 22 приемоответчика 2. Этот резонансный контур, находясь в поле считывающего устройства, регистрирует высокочастотный сигнал, передаваемый базовой станцией. В случае бесконтактной карты такие схемы, обозначенные блоком 22, содержащие одну или несколько микросхем, подключены к антенне L2, в общем случае поддерживаемой опорой карты. В случае электронной метки 2" индуктивный элемент L2 сформирован из проводящей обмотки, подключенной к электронной микросхеме 22.

Хотя символическое представление в форме последовательного резонансного контура на стороне базовой станции и параллельного резонансного контура на стороне приемоответчика является обычным, на практике можно найти последовательные резонансные контуры на стороне приемоответчика и параллельные резонансные контуры на стороне базовой станции.

Резонансные контуры считывающего устройства и приемоответчика, в общем случае, настроены на одну и ту же резонансную частоту ω (L1.C1.ω 2 =L2.C2.ω 2 =1).

Приемоответчики, в общем случае, не имеют автономных источников питания и извлекают мощность, необходимую для их работы, из магнитного поля, генерируемого базовой станцией 1.

Согласно другому примеру применения базовая станция используется для зарядки батареи или другого элемента накопления энергии приемоответчика. В этом случае высокочастотное поле, излучаемое базовой станцией, не нужно модулировать для передачи данных.

В индуктивной антенне проводящая цепь чаще всего является замкнутой цепью, проводящей ток, предназначенный для генерации радиочастотного магнитного поля. Замкнутая проводящая цепь получает питание от радиочастотного генератора 12.

Когда размер антенны становится значительным относительно длины волны, циркуляция тока, предназначенного для генерации магнитного поля по проводнику, затрудняется. Амплитуда и фаза тока испытывают сильные изменения вдоль цепи, из-за чего антенна больше не может действовать в индуктивной петле. Также часто бывает желательно иметь на стороне базовой станции антенну большого размера по сравнению с размером антенны приемоответчика. На самом деле, приемоответчики, в общем случае, движутся (поддерживаемые пользователем), когда представляются базовой станции, и желательно, чтобы они могли регистрировать поле даже в движении. В других случаях желательно, чтобы размер области, где возможна связь с приемоответчиком, был значительным. С другой стороны, полезно использовать большую индуктивную петлю для обеспечения большой дальности связи.

Чем длиннее проводящая цепь индуктивной антенны, тем больше циркуляция тока вдоль цепи отличается от желаемой. Таким образом, существует значительное изменение амплитуды и фазы тока вдоль цепи, которое изменяет и нарушает пространственное распределение генерируемого магнитного поля. Также существует увеличение электрических потенциалов между разными участками проводящей цепи, из-за чего поведение антенны становится чувствительным к присутствию диэлектрических материалов в своем ближайшем окружении.

Таким образом, длина индуктивной петли традиционно ограничена.

Ранее было предложено делить проводящую петлю на элементы, по отдельности, имеющие одинаковую длину, и повторно соединять эти элементы с конденсаторами для обеспечения возможности использовать большую петлю. Такое решение описано, например, в патенте US 5258766.

Ранее было предложено использовать экранированные индуктивные петли с прерыванием экранирования и инверсией проводника. Такие петли, в общем случае, называются "петлями Мебиуса". Такие структуры описаны, например, в статье Дункана (P. H. Duncan) "Analysis of the Moebius Loop Magnetic Field Sensor", опубликованной в IEEE Transaction on Electromagnetic Compatibility, май 1974. Однако такие структуры все же имеют ограниченную длину.

Таким образом, имеется необходимость в формировании большой индуктивной антенны.

Раскрытие изобретения

Задачей варианта осуществления настоящего изобретения является обеспечение индуктивной антенны, позволяющей полностью или частично преодолеть недостатки традиционных антенн.

Другой задачей варианта осуществления настоящего изобретения является обеспечение антенны, которая особенно хорошо адаптирована к передачам в диапазоне частот от одного МГц до нескольких сотен МГц.

Еще одной задачей варианта осуществления настоящего изобретения является обеспечение большой индуктивной антенны (вписывающейся в площадь поверхности, по меньшей мере в десять раз большую) по сравнению с антеннами приемоответчиков, с которыми ей предстоит совместно работать.

Еще одной задачей варианта осуществления настоящего изобретения является обеспечение антенной структуры, совместимой с различными компоновками.

Для решения всех или некоторых из этих и других задач настоящее изобретение предусматривает индуктивную антенну, сформированную из по меньшей мере двух пар геометрически состыкованных секций, каждая из которых содержит первый и второй параллельные проводящие элементы, изолированные друг от друга, причем каждая пара содержит на каждом конце один вывод электрического соединения своего первого проводящего элемента с проводящим элементом соседней пары, в которой упомянутые пары могут относиться:

к первому типу, где проводящие элементы прерываются приблизительно посередине, образуя две секции, причем первый, соответственно второй, проводящий элемент секции подключен ко второму, соответственно первому, проводящему элементу другой секции пары; или

ко второму типу, где первый проводящий элемент прерывается приблизительно посередине, образуя две секции, и второй проводящий элемент не прерывается.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения проводящие секции являются продольно-линейными, причем антенна образует петлю, имеющую пространственную геометрию любого типа.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, соответствующие длины проводящих элементов выбираются согласно резонансной частоте антенны.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения соответствующие длины проводящих элементов выбираются согласно погонной емкости между первым и вторым проводящими элементами.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения по меньшей мере один емкостной элемент соединяет между собой вторые проводящие элементы соседних пар или первый и второй проводящие элементы одной и той же пары.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения по меньшей мере один резистивный элемент соединяет между собой вторые проводящие элементы соседних пар или первый и второй проводящие элементы одной и той же пары.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения каждая секция является секцией коаксиального кабеля.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения секции сформированы из витых проводящих элементов.

Настоящее изобретение также предусматривает систему для генерации высокочастотного поля, содержащую:

индуктивную антенну; и

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, упомянутая схема возбуждения содержит высокочастотный трансформатор, вторичная обмотка которого располагается между первыми проводящими элементами двух соседних пар антенны.

Краткое описание чертежей

Вышеописанные и другие задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения будут подробно рассмотрены в нижеследующем неограничительном описании конкретных вариантов осуществления вкупе с прилагаемыми чертежами, на которых:

на фиг.1, описанной ранее, схематично показан в форме блоков пример радиочастотной системы связи, к которой применяется настоящее изобретение;

фиг.2 - упрощенное представление варианта осуществления индуктивной антенны согласно изобретению;

фиг.3 демонстрирует вариант осуществления пары секций первого типа антенны, показанной на фиг.2;

фиг.4 - упрощенное представление другого варианта осуществления индуктивной антенны согласно изобретению;

фиг.5 демонстрирует электрическую схему варианта осуществления первого типа пары секций антенны;

фиг.5A демонстрирует эквивалентную электрическую схему пары, показанной на фиг.5;

фиг.6 демонстрирует электрическую схему варианта осуществления второго типа пары секций антенны;

фиг.6A демонстрирует эквивалентную электрическую схему пары, показанной на фиг.6;

фиг.7 демонстрирует вариант осуществления индуктивной антенны и схем возбуждения и настройки;

фиг.8A и 8B демонстрируют два других варианта осуществления пары секций первого типа; и

фиг.9 демонстрирует другой вариант осуществления пары секций второго типа.

Осуществление изобретения

Одинаковые элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями на разных чертежах, выполненных с нарушением масштаба. Для наглядности показаны и будут описаны только элементы, полезные для понимания настоящего изобретения. В частности, схемы возбуждения индуктивной антенны не описаны подробно, причем изобретение совместимо с сигналами возбуждения, используемыми в настоящее время для этого типа антенны. Кроме того, приемоответчики, для которых предназначены антенны генерации поля, подлежащие описанию, также не описаны подробно, причем изобретение совместимо с различными современными приемоответчиками, бесконтактными картами, радиометками и т.д.

На фиг.2 показан упрощенный вид антенны согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

В этом варианте осуществления предусмотрена стыковка нескольких секций 32 и 34 коаксиального кабеля. Эти секции собраны в пары 3, в каждой из которых две секции 32 и 34 соединены, образуя соединение мебиусова типа, то есть жила 324 первой секции подключена к оплетке 342 второй секции в паре, а оплетка 322 подключена к жиле 344 этой второй секции.

В предпочтительном примере, представленном на фиг.2, стыкуются четыре пары 3 секций. Электрическое соединение 4 между двумя соседними парами обеспечивается только одним единственным из проводящих элементов. В примере, представленном на фиг.2, соединение 4 между двумя соседними парами обеспечивается соответствующими оплетками противоположных секций двух пар. Другой проводящий элемент не подключен, то есть в примере, представленном на фиг.2, жилы двух соседних пар не соединены.

Кажется, проще делать однородный выбор для всех секций, чтобы все первые проводники соответствовали либо оплетке, либо жиле всех секций. В этом контексте проводящий элемент одного типа, оплетка или жила, будет использоваться для соединения пар всей антенны. Оплетка является предпочтительной, поскольку ее выбор обеспечивает лучшее электрическое экранирование. Как вариант, можно предложить обеспечивать соединения 4 за счет соответствующих жил противоположных пар. Однако сохраняется возможность делать разный выбор назначения первого проводника и второго проводника между первой секцией и второй секцией одной и той же пары, например, выбирать оплетку в качестве первого проводника для первой секции и жилу в качестве первого проводника для второй секции. Таким образом, согласно другому варианту можно предложить обеспечивать соединения 4 между двумя соседними парами от жилы к оплетке или наоборот.

На фиг.3 показано упрощенное представление пары 3 двух секций 32 и 34 антенны, показанной на фиг.2, соответствующих первому типу пары секций. На уровне центрального соединения 36 проводящая жила 324 секции 32 подключена к оплетке (или экрану) 342 секции 34, и оплетка 322 секции 32 подключена к жиле 344 секции 34.

На фиг.4 показано упрощенное представление другого варианта осуществления антенны.

Две пары 3 секций 32 и 34 первого типа (с перекрестным центральным соединением - фиг.3) попеременно подключаются к двум парам 5 секций 52 и 54 коаксиального кабеля, причем центральное соединение 56 секций различается. В этих парах 5 второго типа секции 52 и 54 соединены своими соответствующими жилами 524 и 544, тогда как их оплетки 522 и 542 не соединены. Стыковые электрические соединения пар тем не менее обеспечиваются посредством взаимного соединения 4 оплеток при несоединенных жилах.

Распределение и количество пар двух типов может изменяться. Однако пары первого типа более предпочтительны.

Фиг.5 демонстрирует электрическую схему первого типа пары 3 секций.

Фиг.5A демонстрирует эквивалентную электрическую схему пары, показанной на фиг.5.

Пара 3 секций 32 и 34 содержит два вывода 42 и 44 соединения с соседними парами. Вывод 42 подключен к первому проводящему элементу 322 секции 32, который, другим своим концом, подключен через перекрестное взаимное соединение 36 ко второму проводящему элементу 344 секции 34, имеющей неподключенный свободный конец 3441 (на стороне вывода 44). Второй проводящий элемент 324 секции 32 имеет свободный конец 3241 (на стороне вывода 42) и другой свой конец, подключенный соединением 36 к первой проводящей секции 342 секции 34, другой конец которой подключен к выводу 44.

Эквивалентная электрическая схема такой пары показана на фиг.5A и предусматривает последовательное электрическое соединение индуктивности величиной L0 и конденсатора величиной C0, где L0 обозначает индуктивность, соответствующую совокупности секций 322 и 342 проводника, рассматриваемой как один и тот же проводник для вычисления этой величины, и где C0 обозначает все внутренние емкости, между жилой и оплеткой в случае коаксиального кабеля - между двумя проводниками (между проводниками 322 и 324 и между проводниками 342 и 344) в случае других вариантов осуществления. Согласно вышеприведенному описанию, взаимные индуктивности между совокупностью секций 322 и 342 (рассматриваемой как проводник для вычисления) и совокупностями секций, эквивалентных секциям 322 и 342 других пар (также рассматриваемыми как проводник для вычисления), пренебрежимо малы. Вследствие формирования в виде петель разные пары достаточно удалены друг от друга, что позволяет пренебрегать взаимными индуктивностями по сравнению со значением L0, например, рассмотренным выше.

Пренебрегая омическими потерями в проводниках и диэлектрическими потерями между проводниками, импеданс пары секций в этом варианте осуществления можно выразить в виде Z=jL0ω+1/jC0ω.

Фиг.6 демонстрирует электрическую схему второго типа пары 5 секций.

Фиг.6A демонстрирует эквивалентную электрическую схему пары, показанной на фиг.6.

В паре 5 секций 52 и 54 первый проводник 522 первой секции 52 подключен к первому выводу 42 доступа и ее другой конец 5222 остается отключенным (несоединенным). Первый проводящий элемент 542 второй секции 54 остается на стороне секции 52 отключенным (конец 5422) и на другом своем конце подключен к выводу 44 доступа к паре 5. Второй проводник 524 первой секции 52 подключен взаимным соединением 56 ко второму проводнику 544 второй секции 54. Концы 5241 и 5441 секций 524 и 544 остаются отключенными.

С электрической точки зрения и согласно фиг.6A, предполагая, что проводники пар 3 и 5 имеют одинаковую длину, пара 5 предусматривает последовательное соединение индуктивного элемента номиналом L0 с емкостным элементом номиналом C0/4, где L0 обозначает индуктивность, соответствующую совокупности секций 522 и 542 проводника, и C0 обозначает все внутренние емкости (между проводниками 522 и 524 и между проводниками 542 и 544).

Импеданс пары секций в этом варианте осуществления можно выразить в виде Z=jL0ω+1/j(C0/4)ω.

С электрической точки зрения две пары последовательно соединенных секций 3 эквивалентны одной паре секций 5 удвоенной длины.

Длины будут адаптированы к рабочей частоте антенны, благодаря чему каждая пара секций соблюдает настройку, то есть LCω 2 =1. Можно видеть, что согласно распределению типов пар между парами 3 и 5 длины проводящих элементов и значение погонной емкости между двумя проводниками секции могут изменяться. Значения емкостных элементов уже не являются пренебрежимо малыми, и антенна менее чувствительна к возмущениям своей среды.

Формирование антенны с несколькими парами секций наподобие показанных на фиг.5 и 6 позволяет разделять электрическую цепь и не позволяет использовать слишком длинные индуктивные элементы, где ток, текущий по индуктивной замкнутой цепи, не может иметь однородные амплитуду и фазу вдоль всей цепи. На самом деле соединение пар между собой эквивалентно последовательному соединению нескольких резонансных контуров с одинаковой резонансной частотой. В этом случае снимается ограничение на длину индуктивных антенн.

Разные пары секций не обязательно имеют одинаковые длины, обеспеченные для каждой пары, для соблюдения, возможно, с размещением между ними конденсатора, подключенного между двумя проводниками на уровне перехода между парами, резонансного соотношения.

Фиг.7 демонстрирует вариант осуществления индуктивной антенны и схем возбуждения и настройки. Здесь антенна содержит три пары 3 первого типа.

Схема 18 возбуждения представляет собой высокочастотный трансформатор, первичная обмотка 182 которого принимает сигнал возбуждения высокочастотного генератора 12 (фиг.1) и в котором два вывода вторичной обмотки 184 подключены к выводам 42 и 44 двух соседних пар вместо их взаимного соединения 4. Таким образом, вторичная обмотка образует это соединение между двумя парами. Трансформатор предпочтительно выбирать таким образом, чтобы брать обратно к стороне вторичной обмотки индуктивность, которая пренебрежимо мала на рабочей частоте относительно значения L0, что, например, имеет место, когда коэффициент связи близок к 1.

Кроме того, схема 16 настройки соединяет свободные концы 3241 и 3441 проводников 324 и 344 этих двух пар, которые, таким образом, соединяются. Схема 16 в примере, представленном на фиг.7, является резистивной (резистор R4) и емкостной (конденсатор C4) цепью. Функция конденсатора C4 состоит в регулировке резонансной частоты антенны. Функция резистора R4 состоит в настройке добротности Q антенны на выбранное значение, например, для регулировки ширины полосы.

Конденсаторы можно размещать между разными парами, подключать между проводящими элементами одной и той же секции, между проводящими элементами, оставшимися неподключенными (в данном случае жилами секций коаксиального кабеля), и точкой 42 или 44 соединения (в данном случае оплетками секций коаксиального кабеля), или между проводниками, оставшимися неподключенными, соединенных между собой секций каждой пары, для снижения резонансной частоты.

Длину проводящего элемента 324 или 344, оставшегося неподключенным (в данном случае жил), также можно уменьшать для снижения полной емкости соответствующей секции для увеличения резонансной частоты.

Аналогично, резистивные элементы можно подключать между свободными концами проводящих элементов между двумя парами для регулировки и снижения добротности сформированной таким образом антенны. Резистивные элементы также можно вставлять вместо взаимного соединения 4 между двумя парами для снижения и регулировки добротности.

Разным секциям не обязательно придавать прямолинейную форму. Согласно фиг.7, секции могут располагаться в различных компоновках. Таким образом, замкнутая антенна изобретения может быть выполнена в форме рамки, образовывать петли, иметь округлую форму, иметь формы в трех пространственных измерениях и т.д.

В вышеописанных вариантах осуществления схемы регулировки были проиллюстрированы с соединением между парами. Следует отметить, что как вариант и в случае пар второго типа (5) такие схемы можно вставлять в сами пары секций. В этом случае подключаемый конденсатор соединяет два несоединенных между собой свободных конца элементов 522 и 542.

Резистивные элементы также можно вставлять вместо соединений между проводниками двух секций одной и той же пары (первого типа 3 и второго типа 5) на переходе 36 и 56 для снижения добротности.

На фиг.8A, 8B и 9 показаны пары проводящих секций согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения. Этот вариант осуществления иллюстрирует, что пары проводящих секций могут быть сформированы посредством витых проводников, а не посредством коаксиальных секций.

На фиг.8A и 8B показаны два варианта осуществления пары 3 секций первого типа.

Согласно фиг.8A, две секции витого провода соединены между собой аналогично тому, что описано в связи с секциями коаксиального кабеля.

Фиг.8B демонстрирует другой вариант осуществления перекрестного взаимного соединения пары секций, где перекрещивание фактически достигается переворачиванием проводника, к которому присоединен выходной вывод (например, 44), относительно проводника, к которому присоединен входной вывод (например, 42), и проводящие секции не прерываются внутри пары.

Фиг.9 демонстрирует вариант осуществления пары 5 секций 52 и 54 второго типа, сформированных из витых проводников.

Согласно еще одному варианту осуществления, который не показан, пары секций формируются из невитых проводников, экранированных или нет.

Согласно еще одному варианту осуществления, который не показан, пары секций формируются дорожками, нанесенными на изолирующую подложку.

Антенна, например, определенная выше, также может быть определена как содержащая по меньшей мере две геометрически состыкованные продольно-линейные узловые сборки (3, 5, 3"), каждая из которых содержит согласно своей длине первый и второй параллельные проводящие элементы, изолированные друг от друга, и на каждом конце в соединении с первым проводящим элементом один вывод электрического соединения с соседней узловой сборкой и второй проводник электрически не подключен, где все или часть из узловых сборок относятся:

к первому типу, где каждый из первого и второго проводников прерывается приблизительно посередине и повторно подключается к другому проводнику узловой сборки; или

ко второму типу, где первый проводник прерывается приблизительно посередине и второй проводник не прерывается.

Согласно такому определению проводящий элемент в случае перекрестного соединения (фиг.3, 5 и 8A) сформирован из двух участков, электрически соединенных последовательно, проводящих проводов (жилы или оплетки), отличающихся от используемого кабеля таким образом, что каждый вывод соединения подключен к проводнику той же природы (оплетке или жиле) узловой сборки и при этом электрически не подключен к другому выводу.

Согласно конкретному варианту осуществления секции можно формировать, разрезая обычные коаксиальные линии. В настоящее время существуют некоторые с характеристическими импедансами 50, 75 и 93 Ом, имеющие соответствующие значения погонной емкости 100 пФ/м, 60 пФ/м и 45 пФ/м. Например, в случае перекрестного соединения для 50-омного коаксиального кабеля можно получить индуктивности L0 порядка одного мкГн.

Согласно другому конкретному варианту осуществления, предусматривающему использование защищенных проводников (витых или нет), кабели имеют погонную емкость между проводниками приблизительно в пределах от 30 до 40 пФ/м. Для таких кабелей можно получить, например, индуктивности L0, имеющие значение в пределах приблизительно между 2 и 3 мкГн.

Фиг.10 является упрощенным представлением антенны согласно другому варианту осуществления. Как и в других вариантах осуществления, антенна содержит по меньшей мере две пары (первого типа 3, фиг.5, или второго типа 5, фиг.6) секций, каждая из которых сформирована из параллельных проводящих элементов, изолированных друг от друга. В примере, представленном на фиг.10, предполагается, что это пары секций коаксиального кабеля. Эта структура завершается дополнительной полупарой, сформированной из двух проводящих элементов первого типа 32, 34 или второго типа 52, 54. Вместо установки на конце антенны полупару можно устанавливать между двумя парами. Присутствие дополнительной полупары можно использовать для регулировки длины антенны.

На фиг.11 показано упрощенное представление варианта, согласно которому два сегмента 61 и 63 коаксиального кабеля механически размещены рядом параллельно друг другу и их оплетки электрически соединены друг с другом по меньшей мере на двух концах для формирования единого первого проводящего элемента (соединение 67). Жилы электрически соединены для формирования единого второго проводящего элемента (соединение 65 на одном из концов). Каждый элемент наподобие проиллюстрированного на фиг.11 образует секцию 32, 34, 52 или 54 антенной структуры. Преимущество секции, образуемой сборкой сегментов, показанных на фиг.11, состоит в увеличении погонной емкости секции между первым проводящим элементом и вторым проводящим элементом. Это позволяет уменьшить необходимую длину пары для одинаковой резонансной частоты и, таким образом, обеспечивает дополнительную гибкость в отношении геометрии антенны.

При формировании антенн из коаксиальных секций дополнительное преимущество обусловлено емкостью между экраном и проводящей жилой для формирования индуктивных и емкостных секций, имеющих увеличенную емкость (что позволяет делать их более короткими для той же частоты), в отличие от проводного элемента.

Преимущество описанных вариантов осуществления состоит в том, что они позволяют формировать антенны больших размеров для применений к резонансным частотам более одного МГц (обычно между 10 и 100 МГц). Таким образом, антенны можно создавать на порталах, прилавках и т.д., обеспечивая при этом однородную циркуляцию тока вдоль петли для генерации желаемого поля.

Согласно конкретному варианту осуществления антенна, адаптированная к работе на частоте 13,56 МГц, может быть выполнена в форме прямоугольной рамки приблизительно 87 см на 75 см, сформированной из трех пар проводников (трижды две секции) первого типа в виде 50-омного коаксиального кабеля с погонной емкостью 100 пФ/м (диаметр оплетки 3,5 мм), распределенного в двух парах, имеющих L-образную конфигурацию с осевой длиной 1,07 м (с индуктивностью L0 приблизительно 1,22 мкГн или 1,21 мкГн, с учетом взаимной индуктивности), и одной паре, имеющей U-образную конфигурацию с осевой длиной 1,08 м (с индуктивностью L0 приблизительно 1,20 мкГн или 1,19 мкГн, с учетом взаимных индуктивностей). Резонансную частоту можно регулировать с помощью переменного конденсатора.

Были описаны различные варианты осуществления, и специалисты в данной области техники могут предложить различные изменения и модификации. В частности, размеры, приданные проводящим секциям и емкостным элементам, зависят от применения, и их вычисление не выходит за пределы возможностей специалистов в данной области техники, основанные на функциональных указаниях, заданных выше, и желаемых резонансной частоте и размере антенны.

Формула изобретения

1. Индуктивная антенна, содержащая по меньшей мере две пары геометрически состыкованных секций (32, 34; 52, 54), каждая из которых содержит первый (322, 342; 522, 542) и второй (324, 344; 524, 544) параллельные проводящие элементы, изолированные друг от друга, причем каждая пара содержит на каждом конце один вывод электрического соединения (42, 44) своего первого проводящего элемента с проводящим элементом соседней пары, при этом упомянутые пары могут относиться:
к первому типу (3), где проводящие элементы прерываются посередине, образуя две секции, причем первый, соответственно второй, проводящий элемент секции подключен ко второму, соответственно первому, проводящему элементу другой секции пары, или
ко второму типу (5), где первый проводящий элемент (522, 542) прерывается посередине, образуя две секции, и второй проводящий элемент (524, 544) не прерывается.

2. Антенна по п.1, в которой проводящие секции являются продольно-линейными, причем антенна образует петлю, имеющую пространственную геометрию любого типа.

3. Антенна по любому из предыдущих пунктов, в которой соответствующие длины проводящих элементов (322, 324, 342, 344; 522, 524, 542, 544; 322", 324", 342", 344") выбираются согласно резонансной частоте антенны.

4. Антенна по п.1, в которой соответствующие длины проводящих элементов (322, 324, 342, 344; 522, 524, 542, 544; 322", 324", 342", 344") выбираются согласно погонной емкости между первым и вторым проводящими элементами.

5. Антенна по п.1, в которой по меньшей мере один емкостной элемент (C4) соединяет между собой вторые проводящие элементы соседних пар или первый и второй проводящие элементы одной и той же пары.

6. Антенна по п.1, в которой по меньшей мере один резистивный элемент (R4) соединяет между собой вторые проводящие элементы соседних пар или первый и второй проводящие элементы одной и той же пары.

7. Антенна по п.1, в которой каждая секция (32, 34, 52, 54) является секцией коаксиального кабеля.

8. Антенна по п.1, в которой каждая секция сформирована из двух сегментов (61, 63) коаксиального кабеля.

9. Антенна по п.1, в которой секции (32, 34, 52, 54, 32", 34") сформированы из витых проводящих элементов.

10. Антенна по п.1, дополнительно содержащая полупару, сформированную из секции двух проводящих элементов, подключенных к по меньшей мере одной паре.

11. Система для генерации высокочастотного поля, содержащая
индуктивную антенну по любому из предыдущих пунктов и
схему для возбуждения антенны высокочастотным сигналом.

12. Система по п.11, в которой упомянутая схема возбуждения содержит высокочастотный трансформатор (18), вторичная обмотка которого располагается между первыми проводящими элементами двух соседних пар антенны.