МАГНИТНАЯ АНТЕННА Российский патент 1999 года по МПК H01Q7/08 

Изобретение относится к радиотехнике и технике высоких частот, а более точно к антенной технике, и может быть использовано для связи, в частности, для приема и передачи информации под водой и под землей.

Известна спиральная антенна, содержащая двухзаходную арифметическую спираль, имеющую не менее трех с половиной витков в каждой ветви, размещенную на диэлектрической плате, установленной над экраном, внутренние концы каждой из ветвей арифметической спирали соединены с внутренним проводником коаксиальной линии, внешний проводник которой соединен с экраном, выполненным в виде металлического диска, установленного соосно с арифметической спиралью [1].

Недостатком известного устройства являются относительно большие размеры, сравнимые с максимальной длиной волны рабочего диапазона, а также недостаточно эффективное излучение вследствие концентрации поля в объеме между спиралью и экраном.

Известна приемная магнитная антенна, содержащая несколько колебательных контуров из конденсаторов и катушек индуктивности, размещенных на установленных параллельно друг другу ферритовых стержнях, и сумматор, соединяющий колебательные контуры со входом приемника [2].

Известное устройство обеспечивает расширение рабочего диапазона частот, однако размеры и вес его велики. Другим недостатком устройства является уменьшение эффективности излучения за счет взаимного влияния параллельно расположенных ферритовых стержней. Разнос стержней приводит к еще большему увеличению размеров антенны.

Наиболее близкой к предлагаемой является магнитная антенна, содержащая катушку индуктивности, намотанную на ферритовую рамку, образующую замкнутый сердечник, и параллельно соединенный с катушкой индуктивности конденсатор [3].

Недостатком известного устройства является резкое уменьшение эффективности излучения за счет локализации магнитного поля в замкнутом сердечнике.

Целью изобретения является уменьшение габаритов антенны на относительно длинных волнах при одновременном увеличении излучающей способности.

Указанная цель достигается следующим образом.

Катушка индуктивности магнитной антенны выполнена в виде четвертьволнового отрезка линии передачи, состоящего по меньшей мере из двух параллельно расположенных импедансных проводников, образованных рядом расположенных последовательно в направлении распространения волны проводящих элементов, соединенных друг с другом с зазором таким образом, что образованный ими рисунок на каждом импедансном проводнике является повернутым на 180^o относительно плоскости симметрии зеркальным отображением рисунка, образованного проводящими элементами соседнего импедансного проводника, причем на одном конце передающей линии соседние импедансные проводники соединены по крайней мере попарно друг с другом, а на другом конце - с двумя полюсами высокочастотного вывода так, что соседние импедансные проводники соединены с разными полюсами.

Катушка может быть также выполнена так, что расстояние между соседними импедансными проводниками не превышает 1/6 длины волны в образованной импедансными проводниками линии передачи.

Импедансные проводники могут быть расположены коаксиально друг относительно друга, а проводящие элементы каждого из импедансных проводников могут образовывать при этом по меньшей мере однозаходную цилиндрическую спираль.

Проводящие элементы каждого из импедансных проводников могут образовывать по меньшей мере однозаходную радиальную спираль.

Проводящие элементы каждого из импедансных проводников могут образовывать штыревую гребенку.

Проводящие элементы, образующие импедансные проводники, могут быть выполнены в виде металлизации на поверхностях диэлектрических подложек.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 схематически изображена предлагаемая антенна, на фиг. 2 - вариант антенны с импедансным проводником в виде двух коаксиально расположенных цилиндрических спиралей, на фиг. 3 - вариант антенны с тремя импедансными проводниками, выполненными в виде радиальных спиралей, на фиг. 4 - два импедансных проводника, выполненных в виде штыревых гребенок, на фиг. 5 - рисунок импедансного проводника, образованный проводящими элементами, выполненными в виде металлизации.

Магнитная антенна представляет собой четвертьволновый отрезок линии передачи (фиг. 1), образованной параллельно расположенными импедансными проводниками 2, 3, отличающимися друг от друга только тем, что импедансный проводник 3 является повернутым на 180^o относительно плоскости симметрии зеркальным отображением импедансного проводника 2. Импедансные проводники 2, 3 выполнены в виде ряда расположенных в одной плоскости в направлении распространения волны (стрелки A на фиг. 1) проводящих элементов, соединенных друг с другом с зазором. Концы 4 импедансных проводников 2 и концы импедансных проводников 3, обращенные ко входу 6 линии передачи 1, соединены, соответственно, с разными полюсами входа 6, концы 4 - с полюсом 7, а концы 5 - с полюсом 8. Концы 9, 10 линии передачи 1 с другой ее стороны соединены друг с другом перемычками 11. Вход 6 соединен с приемником или передатчиком (на чертеже не показаны).

Предпочтителен вариант, когда расстояние а (фиг. 1) между импедансными проводниками 2, 3 не превышает 1/6 длины волны в образованной импедансными проводниками 2, 3 линии передачи 1.

Возможен вариант, когда импедансные проводники 2, 3 (фиг. 2) имеют форму цилиндрических спиралей и расположены коаксиально друг относительно друга.

Практический интерес представляет также вариант, когда импедансные проводники 2, 3 выполнены в виде радиальных спиралей (фиг. 3).

Для некоторых применений полезен вариант, когда импедансные проводники 2, 3 выполнены в виде штыревых гребенок (фиг. 4).

Более технологичен вариант магнитной антенны, когда импедансные проводники 2, 3 выполнены в виде металлизации на диэлектрических подложках 12 (фиг. 5).

Работает предлагаемая антенна следующим образом.

В режиме передачи электромагнитный сигнал на частоте, близкой к резонансной частоте антенны, с передатчика (на чертеже не показан) подается на вход 6 линии передачи 1, возбуждая в линии передачи 1 бегущую замедленную волну. Отражаясь от перемычек 11, замедленная волна образует стоячую волну с максимумом напряженности H магнитного поля около перемычек 11. Благодаря тому, что импедансные проводники 2, 3 являются повернутыми на 180^o зеркальными отображениями друг друга и подсоединены к разным полюсам входа 6, т.е. возбуждаются противофазно, поперечные составляющие токов в этих проводниках имеют одинаковое направление. Это приводит к тому, что создаваемое этими составляющими токов магнитное поле складывается подобно тому, как складываются поля магнитных диполей с параллельными токами. Характеристика излучения и диаграмма ее направленности аналогичны характеристике и диаграмме нескольких установленных на одной оси магнитных диполей [4].

Преимущество предлагаемой антенны заключается в том, что вызванное совпадением направления поперечных составляющих токов в проводниках 2, 3 увеличение магнитного поля приводит к увеличению эквивалентной погонной индуктивности и, следовательно, к увеличению замедления электромагнитной волны в линии передачи 1. Это замедление может существенно превышать так называемое геометрическое замедление, определяемое отношением суммарной длины проводящих элементов, образующих импедансные проводники 2, 3 к длине этих проводников. Объясняется это тем, что при уменьшении расстояния а между импедансными проводниками 2, 3 увеличивается не только эквивалентная погонная индуктивность L_o но и эквивалентная погонная емкость C_o, а величина замедления определяется отношением диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума. Таким образом, предлагаемая конструкция магнитной антенны одновременно обеспечивает сложение магнитных полей импедансных проводников 2, 3 и уменьшение резонансных размеров образуемой этими проводниками линии передачи 1.

Работа на частотах, близких к резонансной, обеспечивает получение входного сопротивления антенны, близкого к волновому сопротивлению свободного пространства и, следовательно, высокую эффективность излучения.

Расстояние a между проводниками 2 и 3 выбирается меньше 1/6 длины замедленной волны, т. к. именно при этом расстоянии становится заметным увеличение замедление по сравнению с геометрическим. При наличии импедансных проводников 2, 3, 2 или 3, 2, 3 как это показано на примере выполнения антенны с импедансными проводниками в виде радиальных спиралей (фиг. 3) расстояние а должно быть одним и тем же между всеми соседними импедансными проводниками. При этом перемычка 11 замыкает концы 9, 10 всех трех импедансных проводников. При выполнении магнитной антенны с четырьмя и более импедансными проводниками 2, 3 (при четном их числе) импедансные проводники 2, 3 могут быть соединены перемычками попарно, как это показано на фиг. 1. При этом расстояние b между несоединенными проводниками 2, 3 должно быть равным или превышать расстояние a между соединенными проводниками.

Приведенные на фиг. 2 и фиг. 3 варианты выполнения магнитной антенны с импедансными проводниками в виде цилиндрических и радиальных спиралей обеспечивают аксиально-симметричную диаграмму направленности излучения, напоминающую диаграмму излучения классического магнитного диполя. Выполнение магнитной антенны с импедансными проводниками в виде штыревых гребенок (фиг. 4) создает несимметричное излучение и может представлять интерес при создании антенной решетки, обеспечивающей более узкую диаграмму излучения.

На практике предлагаемую магнитную антенну, особенно в том случае, когда она приемная, удобно изготавливать путем создания металлизации с требуемым рисунком на диэлектрических подложках. На фиг. 5 приведен рисунок импедансного проводника, созданного путем травления на фольгированном диэлектрике.

Результаты испытаний магнитной антенны, набранной из 5-ти диэлектрических пластин толщиной 2 мм каждая, с импедансными проводниками на обеих сторонах каждой пластины, имеющими размеры, указанные на фиг. 5, показали хорошие излучающие способности такой антенны на частоте 12 МГц.

Работа предлагаемой антенны в режиме передачи ничем не отличается от ее работы в режиме приема. Принимаемый сигнал на частотах, близких к резонансной частоте отрезка линии передачи 1, возбуждает противофазную замедленную волну, которая, поступая на вход 6 линии передачи 1, попадает далее в приемник (на чертеже не показан).

Таким образом, предлагаемая магнитная антенна обладает малыми по сравнению с длиной волны в свободном пространстве размерами, близкой к классическому диполю диаграммой направленности и высокой излучающей способностью, обеспечиваемой резонансным режимом работы.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1587611, H 01 Q 11/08, 1990.

2. Авторское свидетельство СССР N 1597990, H 01 Q 7/08, 1990.

3. Авторское свидетельство СССР N 1569925, H 01 Q 7/08, 1990.

4. Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика. -М.: Связь, 1971, с. 150.

Изобретение относится к радиотехнике и технике высоких частот, а более точно к антенной технике, и может быть использовано для связи, в частности для приема и передачи информации под водой и под землей. Техническим результатом является уменьшение габаритов антенны на относительно длинных волнах при одновременном увеличении излучающей способности. Это достигается использованием катушки индуктивности, выполненной в виде четвертьволнового отрезка линии передачи, состоящего по меньшей мере из двух параллельно расположенных импедансных проводников, образованных рядом расположенных последовательно в направлении распространения волны проводящих элементов. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Магнитная антенна, содержащая по меньшей мере одну катушку индуктивности, соединенную с помощью двухполюсного высокочастотного вывода с радиоприемником или радиопередатчиком, отличающаяся тем, что катушка индуктивности выполнена в виде четвертьволнового отрезка линии передачи, состоящего по меньшей мере из двух параллельно расположенных импедансных проводников, образованных рядом расположенных последовательно в направлении распространения волны проводящих элементов, соединенных друг с другом с зазором так, что образованный ими рисунок каждого импедансного проводника является повернутым на 180^o относительно плоскости симметрии зеркальным отображением рисунка, образованного проводящими элементами соседнего импедансного проводника, причем на одном конце передающей линии соседние импедансные проводники соединены по крайней мере попарно друг с другом, а на другом конце - с двумя полюсами высокочастотного вывода так, что соседние импедансные проводники соединены с разными полюсами. 2. Магнитная антенна по п.1, отличающаяся тем, что расстояние между соседними импедансными проводниками не превышает 1/6 длины волны в образованной импедансными проводниками линии передачи. 3. Магнитная антенна по п.1, отличающееся тем, что импедансные проводники расположены коаксиально относительно друг друга, а проводящие элементы каждого из импедансных проводников образуют по меньшей мере однозаходную цилиндрическую спираль. 4. Магнитная антенна по п.1, отличающаяся тем, что проводящие элементы каждого из импедансных проводников образуют по меньшей мере однозаходную радиальную спираль. 5. Магнитная антенна по п.1, отличающаяся тем, что проводящие элементы каждого из импедансных проводников образуют штыревую гребенку. 6. Магнитная антенна по любому из пп.1 - 5, отличающаяся тем, что образующие импедансные проводники проводящие элементы могут быть выполнены также в виде металлизации на поверхностях диэлектрических подложек.