АКТИВНАЯ ПЕТЛЕВАЯ АНТЕННА

АКТИВНАЯ ПЕТЛЕВАЯ АНТЕННА


RU (11) 2222848 (13) C2

(51) 7 H01Q7/00 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.01.2008 - прекратил действие, но может быть восстановлен 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 2001127333/09 
(22) Дата подачи заявки: 2001.10.08 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2001.10.08 
(43) Дата публикации заявки: 2003.07.10 
(45) Опубликовано: 2004.01.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: SU 1483515 A1, 30.05.1989. US 3631499 А, 28.12.1971. US 3441935 А, 29.04.1969. SU 1128314 А, 07.12.1984. US 3478269 A, 11.11.1969. 
(72) Автор(ы): Бульбин Ю.В.; Буянов Ю.И.; Винокуров А.А.; Чуйков В.Д.; Якубов В.П. 
(73) Патентообладатель(и): Сибирский физико-технический институт при Томском государственном университете; Бульбин Юрий Васильевич 
Адрес для переписки: 634050, г.Томск, пл. Ново-Соборная, 1, СФТИ, А.И. Потекаеву 

(54) АКТИВНАЯ ПЕТЛЕВАЯ АНТЕННА 

Изобретение относится к антенной технике, а именно к приемным активным петлевым антеннам, и может найти применение в радиосвязи, радионавигации, радиопеленгации, телевидении и радиовещании. Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, - расширение функциональных возможностей активной петлевой антенны. Сущность изобретения состоит в том, что наводимые в петлях синфазные и противофазные относительно концов петель токи обрабатываются на высокой частоте для формирования на выходах антенны одновременно круговой диаграммы направленности и диаграммы направленности в форме восьмерки. При этом синфазная составляющая сигнала пропорциональна составляющей вектора электрического поля, а противофазная составляющая - составляющей вектора магнитного поля приходящей электромагнитной волны. Предлагаются два варианта антенны, первый из которых может использоваться как самостоятельная антенна и как составная часть более сложной антенны второго варианта. Первый вариант антенны содержит в своем составе одну проводящую петлю и электрический противовес петли, второй - пять идентичных петель и один противовес. Второй вариант антенны позволяет определять одновременно и независимо три составляющие вектора электрического поля и три составляющие вектора магнитного поля приходящей электромагнитной волны. 2 з. п. ф-лы, 2 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к антенной технике, а именно к приемным активным петлевым антеннам, и может найти применение в радиосвязи, радионавигации, радиопеленгации, телевидении и радиовещании.

Известна широкополосная активная петлевая антенна [1], содержащая две идентичные проводниковые петли, расположенные в одной плоскости и ориентированные концами навстречу друг другу, электрические нагрузки, согласующий трансформатор и широкополосный усилитель. Концы повышающей обмотки трансформатора соединены с нижними концами петель, концы понижающей обмотки - с верхними концами петель и с входом усилителя, выход которого образует выход антенны. Электрические нагрузки указанных петель могут быть распределенными омическими или сосредоточенными индуктивно-емкостными. Антенна работает в полосе частот с коэффициентом перекрытия 4:1. Широкополосный усилитель имеет коэффициент усиления 25 дБ.

Одним из недостатков данной антенны является низкая помехозащищенность, обусловленная ее круговой диаграммой направленности. Другой ее недостаток заключается в использовании согласующего трансформатора, связь между обмотками которого осуществляется через магнитопровод. Такие трансформаторы обладают значительными потерями на высоких частотах.

Наиболее близкой к заявляемому устройству по наибольшему числу существенных признаков является петлевая антенна [2], содержащая две идентичные проводниковые петли, расположенные в одной плоскости и ориентированные своими концами навстречу друг другу, с периметром каждой петли, не превышающим четверти минимальной рабочей длины волны, два суммирующих устройства, два конденсатора, два резистора, входной согласующий трансформатор и усилитель. Входы первого и второго суммирующих устройств соединены с концами первой и второй петель соответственно. Первый и второй резисторы соединены последовательно и подключены к верхним концам петель. Первый и второй конденсаторы соединены последовательно и подключены к выходам первого и второго суммирующих устройств. Концы первичной обмотки согласующего трансформатора соединены с нижними концами первой и второй петель. Средняя точка первичной обмотки согласующего трансформатора соединена с местом соединения резисторов между собой и с местом соединения конденсаторов между собой. Выходная обмотка согласующего трансформатора подключена к входу усилителя. Выход усилителя является выходом антенны.

При оптимальном соотношении противофазного и синфазного токов, наводимых в петлях падающей электромагнитной волной, обеспечивается кардиоидная диаграмма направленности. Необходимое соотношение токов обеспечивается выбором определенных геометрических размеров петель и величин сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов.

Одним из недостатков прототипа является низкая чувствительность в низкочастотной части рабочего диапазона, обусловленная использованием резисторов для формирования кардиоидной диаграммы направленности. Другим недостатком прототипа является использование входного трансформатора с обмотками, связь между которыми осуществляется через магнитопровод. Это снижает чувствительность антенны на верхних частотах. Антенна принимает электромагнитную волну одной поляризации и имеет один выход, что ограничивает ее функциональные возможности.

Заявляемое техническое решение направлено на расширение функциональных возможностей активной петлевой антенны (возможность иметь от двух до шести независимых выходов с различными диаграммами направленности и возможность определять одновременно три составляющие вектора электрического поля и три составляющие вектора магнитного поля падающей электромагнитной волны).

Это достигается тем, что в активную петлевую антенну, содержащую проводниковую петлю с периметром, не превышающим четверти минимальной рабочей длины волны, суммирующее устройство, соединенное своими входами с концами петли, и усилитель, выход которого образует выход антенны, дополнительно введены электрический противовес петли, оканчивающийся выводом, первое и второе вычитающие устройства и второй усилитель, вход которого соединен с выходом первого вычитающего устройства, а выход усилителя образует второй выход антенны, вывод противовеса лежит в плоскости петли на прямой, проходящей между концами петель через ее центр, и ориентирован навстречу концам петли, входы первого вычитающего устройства соединены с концами петли, входы второго вычитающего устройства соединены с выходом суммирующего устройства и выводом противовеса, а его выход - с входом первого усилителя, при этом середина отрезка прямой линии, расположенного между концами петли и выводом противовеса, образует фазовый центр петли и противовеса, а концы петли и вывод противовеса удалены от названного фазового центра на расстояние, не превышающее 0,02 минимальной рабочей длины волны.

Это достигается также тем, что кроме вышеназванных электрического противовеса, первого и второго вычитающих устройств и второго усилителя, в состав антенны введены две пары проводниковых петель, образованные второй и третьей, четвертой и пятой петлями, каждая из которых идентична первой петле, второе-седьмое суммирующие устройства, третье-восьмое вычитающие устройства и третий-шестой усилители, выходы которых образуют третий-шестой выходы антенны, вторая и третья петли расположены в одной плоскости и ориентированы своими концами навстречу друг другу, четвертая и пятая петли расположены в другой плоскости и также ориентированы своими концами навстречу друг другу, плоскости, в которых расположены пары петель, и плоскость, в которой расположена первая петля, и линии, проходящие через центры петель каждой пары, и линия, соединяющая центр первой петли и вывод противовеса, взаимно ортогональны, второе и третье, пятое и шестое суммирующие устройства соединены своими входами с концами второй и третьей, четвертой и пятой петель, а своими выходами - с входами пятого и восьмого вычитающих устройств, выходы которых подключены к входам третьего и пятого усилителей, третье и четвертое, шестое и седьмое вычитающие устройства соединены своими входами с концами второй и третьей, четвертой и пятой петель, а своими выходами - с входами четвертого и седьмого суммирующих устройств, выходы которых подключены к входам четвертого и шестого усилителей, при этом середины отрезков прямых, соединяющих центры петель в каждой паре, образуют фазовые центры пар, концы петель в каждой паре удалены от фазового центра пары на расстояние, не превышающее 0,02 минимальной рабочей длины волны, а фазовые центры первой и второй пар петель и фазовый центр первой петли и противовеса удалены друг от друга на расстояние, не превышающее 0,05 минимальной длины волны.

В частном случае противовес выполняется в виде отрезка проводящей цилиндрической трубы.

На фиг. 1 и 2 приведены функциональные схемы двух вариантов заявляемой активной петлевой антенны.

На фиг. 1 обозначено: 1 - проводниковая петля; 2 - электрический противовес петли; 3 - суммирующее устройство (устройство, суммирующее синфазные колебания и обладающее высоким входным сопротивлением для противофазных колебаний); 4 и 5 - первое и второе разностные устройства (устройства, суммирующие противофазные колебания и обладающие высоким входным сопротивлением для синфазных колебаний); 6 и 7 - первый и второй усилители.

На фиг. 2 обозначено: 8, 9, 10 и 11 - вторая, третья, четвертая и пятая петли; 12-17 - второе-седьмое суммирующие устройства; 18-23 - третье-восьмое вычитающие устройства; 24-27 - третий-шестой усилители. Обозначения первой петли, противовеса, первого суммирующего, первого и второго разностных устройств и первого и второго усилителей соответствуют обозначениям, приведенным на фиг.1.

В качестве противовеса 2 первой петли 1 в обоих вариантах активной петлевой антенны (фиг.1 и 2) в данном частном случае используется отрезок проводящей цилиндрической трубы.

В варианте, изображенном на фиг.2, общая ось первой петли 1 и противовеса 2 расположена в вертикальной плоскости на оси Z, а общие оси пар петель 8 и 9 и 10 и 11 расположены в горизонтальной плоскости на осях Х и Y. Плоскости первой петли и обеих пар петель, так же как и оси X, Y и Z, взаимно ортогональны.

Активная петлевая антенна, функциональная схема которой изображена на фиг.1, работает следующим образом.

Антенна принимает сигналы линейной поляризации, у которых вектор поляризации электромагнитного поля параллелен общей оси петли и противовеса. Электромагнитное поле наводит в петле 1 противофазный и синфазный токи относительно начала и конца петли. Противофазный ток соответствует магнитной составляющей и электромагнитного поля, а синфазный ток - электрической составляющей. Выделение синфазного тока осуществляет суммирующее устройство 3. Выделение противофазного тока осуществляет вычитающее устройство 4. В противовесе 2 под действием электромагнитного поля наводится ЭДС и через его вывод протекает ток, противофазный синфазным токам, протекающим через концы петли. Токи с выхода суммирующего устройства 3 и конца противовеса 2 поступают на входы второго вычитающего устройства 5, с выхода которого сигнал поступает на вход первого усилителя 6. С выхода первого разностного устройства 4 сигнал поступает на вход второго усилителя 7. Выходы усилителей 6 и 7 образуют первый и второй выходы антенны. По синфазному сигналу активная петлевая антенна эквивалентна несимметричному электрическому вибратору и имеет аналогичную диаграмму направленности. По противофазному сигналу антенна имеет направленные характеристики, близкие к характеристикам одиночной петли.

Активная петлевая антенна, функциональная схема которой приведена на фиг. 2, представляет собой устройство, состоящее из трех независимых и невзаимодействующих между собой антенн, первой из которых является вышеописанная антенна (фиг.1). Каждая из двух других антенн содержит пару петель (8 и 9 или 10 и 11), суммирующие и вычитающие устройства, а также усилители. Поскольку эти две другие антенны идентичны, ограничимся описанием второй антенны, содержащей петли 8 и 9.

Вторая антенна, так же как и первая, принимает линейно поляризованное электромагнитное поле, при этом вектор поляризации электромагнитного поля параллелен общей оси пары петель. Электромагнитное поле наводит в каждой петле ЭДС, под действием которых через концы петель протекают противофазные и синфазные токи. Противофазные токи соответствуют магнитной составляющей электромагнитного поля, синфазные токи - электрической составляющей. К концам петель 8 и 9 подключены второе 12 и третье 13 суммирующие устройства и третье 18 и четвертое 19 вычитающие устройства. Суммирующие устройства выделяют синфазные токи с концов каждой петли, вычитающие устройства - противофазные токи. Противофазные сигналы с выходов суммирующих устройств 12 и 13 поступают на входы пятого вычитающего устройства 20, где они суммируются в противофазе и поступают на вход третьего усилителя 24. Синфазные сигналы с выходов третьего 18 и четвертого 19 вычитающих устройств поступают на входы четвертого суммирующего устройства 14, с выхода которого они поступают на вход четвертого усилителя 25. Выходы третьего 24 и четвертого 25 усилителей образуют третий и четвертый выходы антенны.

По синфазным сигналам, снимаемым с концов петель 8 и 9, вторая антенна эквивалентна симметричному электрическому вибратору и имеет аналогичную диаграмму направленности. По противофазным сигналам, снимаемым с тех же концов, вторая антенна имеет направленные характеристики, близкие к характеристикам одиночной петли.

Третья антенна, образованная парой петель 10 и 11, суммирующими (15, 16, 17) и вычитающими (21, 22, 23) устройствами и усилителями (26, 27), работает так же, как и вторая антенна.

Устройство, функциональная схема которого изображена на фиг.2, позволяет в месте приема определять одновременно три составляющие вектора электрического поля и три составляющие вектора магнитного поля.

Суммирующие устройства для активной петлевой антенны нами были выполнены на основе одинаковых отрезков двухпроводной линии передачи и одинаковых ферритовых магнитопроводов [3]. Отрезок линии передачи длиной не более 0,15 минимальной рабочей длины волны и волновым сопротивлением 75 Ом размещался на ферритовом магнитопроводе. Начало первого проводника линии и конец второго проводника образовывали входы суммирующего устройства, а соединенные вместе конец первого проводника и начало второго образовывали выход устройства. Вычитающие устройства для активной петлевой антенны были выполнены на основе тех же магнитопроводов и идентичных отрезков линии передачи. Начало первого проводника линии и начало второго проводника образовывали входы вычитающего устройства, а концы первого и второго проводников образовывали его выходы. Такие устройства обладают небольшими потерями и относительно широкой полосой рабочих частот.

Для обеспечения качественного приема радиосигналов усилители для активной петлевой антенны были выполнены по балансной схеме на СВЧ биполярных транзисторах средней мощности КТ939А и имели коэффициент усиления 15-20 дБ. Динамический диапазон усилителей по интермодуляционным искажениям второго и третьего порядков составлял не менее 85 дБ.

Работоспособность и преимущества предлагаемой активной петлевой антенны по сравнению с антенной-прототипом были подтверждены испытаниями макетов двух вышеописанных вариантов антенны: активной петлевой антенны с противовесом и активной петлевой антенны для измерения всех шести компонент электромагнитного поля.

Макеты вариантов активной петлевой антенны имели следующие характеристики:

Диапазон рабочих частот, МГц - 3-30

Выходное сопротивление, Ом - 75

Чувствительность в полосе 3 кГц, мкВ/м на частотах: 3 Мгц - 0,5

30 МГц - 0,1

Развязка по поляризации между выходами второго варианта активной петлевой антенны не менее, дБ - 30

Динамический диапазон по взаимной модуляции второго и третьего порядков не менее, дБ - 85

Напряжение питания, В - 12

Габариты первого варианта активной петлевой антенны, м - 0,85х1,7х0,2

Габариты второго варианта активной петлевой антенны, м - 1,7х1,7х1,7

Предлагаемые варианты активной петлевой антенны в отличие от известных приемных малогабаритных активных антенн реагируют как на магнитную, так и на электрическую составляющие электромагнитного поля и имеют несколько выходов с различными диаграммами направленности. Второй вариант антенны позволяет определить в одной точке пространства одновременно три составляющие вектора электрического поля и три составляющие вектора магнитного поля приходящей электромагнитной волны. Чувствительность предлагаемых вариантов антенны выше чувствительности антенны-прототипа, поскольку в предлагаемых устройствах отсутствуют соединенные с концами петель омические нагрузки.

Источники информации

1. Патент США N3631499, МКИ Н 01 Q 11/12. Electrically small double-loop antenna with distributed loading and impedance matching. Приор. 28.12.71.

2. А. с. СССР N 1483515, МКИ Н 01 Q 23/00. Активная рамочная антенна. Опубл. 30.05.89. Бюл. N20 - прототип.

3. Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний/ В.В. Заенцев, В.М. Катушкина, С.Е. Модель. Под ред. З.И. Моделя. - М. : Сов. Радио, 1980. - 296 с. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Активная петлевая антенна, содержащая первую проводниковую петлю с периметром, не превышающим четверти минимальной рабочей длины волны, первое суммирующее устройство, соединенное своими входами с концами первой петли, и первый усилитель, выход которого образует первый выход антенны, отличающаяся тем, что в ее состав дополнительно введены электрический противовес первой петли, оканчивающийся выводом, первое и второе вычитающие устройства и второй усилитель, вход которого соединен с выходом первого вычитающего устройства, а его выход образует второй выход антенны, вывод противовеса лежит в плоскости первой петли на прямой, проходящей между концами первой петли через ее центр, и ориентирован навстречу концам первой петли, входы первого вычитающего устройства соединены с концами первой петли, входы второго вычитающего устройства соединены с выходом первого суммирующего устройства и выводом противовеса, а его выход - с входом первого усилителя, при этом середина отрезка прямой линии, расположенного между концами первой петли и выводом противовеса, образует фазовый центр петли и противовеса, а концы петли и вывод противовеса удалены от названного фазового центра на расстояние, не превышающее 0,02 минимальной рабочей длины волны.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что в ее состав дополнительно введены две пары проводниковых петель, образованные второй и третьей, четвертой и пятой петлями, каждая из которых идентична первой петле, второе-седьмое суммирующие устройства, третье-восьмое вычитающие устройства и третий-шестой усилители, выходы которых образуют третий-шестой выходы антенны, вторая и третья петли расположены в одной плоскости и ориентированы своими концами навстречу друг другу, четвертая и пятая петли расположены в другой плоскости и также ориентированы своими концами навстречу друг другу, плоскости, в которых расположены пары петель, и плоскость, в которой расположена первая петля, взаимно ортогональны, линии, проходящие через центры петель каждой пары, и линия, соединяющая центр первой петли и вывод противовеса, взаимно ортогональны, второе и третье, пятое и шестое суммирующие устройства соединены своими входами с концами второй и третьей, четвертой и пятой петель, а своими выходами - с входами пятого и восьмого вычитающих устройств, выходы которых подключены к входам третьего и пятого усилителей, третье и четвертое, шестое и седьмое вычитающие устройства соединены своими входами с концами второй и третьей, четвертой и пятой петель, а своими выходами - с входами четвертого и седьмого суммирующих устройств, выходы которых подключены к входам четвертого и шестого усилителей, при этом середины отрезков прямых, соединяющих центры петель в каждой паре, образуют фазовые центры пар, концы петель в каждой паре удалены от фазового центра пары на расстояние, не превышающее 0,02 минимальной рабочей длины волны, а фазовые центры первой и второй пар петель и фазовый центр первой петли и противовеса удалены друг от друга на расстояние, не превышающее 0,05 минимальной рабочей длины волны.

3. Антенна по п.1 или 2, отличающаяся тем, что противовес выполнен в виде отрезка проводящей цилиндрической трубы.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru