RU2081484C1

RU2081484C1 - Receiving-transmitting loop antenna

Info

Publication number: RU2081484C1
Application number: RU94018466A
Authority: RU
Inventors: Ю.В. Бульбин; Ю.И. Буянов
Original assignee: Бульбин Юрий Васильевич; Буянов Юрий Иннокентьевич; Сибирский физико-технический институт при Томском государственном университете
Priority date: 1994-05-25
Filing date: 1994-05-25
Publication date: 1997-06-10

Abstract

FIELD: antenna equipment. SUBSTANCE: given loop antenna can be used in the capacity of receiving-transmitting antenna of mobile communication facilities of decametric and metric wave bands. Proposed antenna includes two open conductive loops and two tuning capacitors of variable capacitance. First leads of loops are interconnected and form first lead of antenna and their second leads are connected to first leads of tuning capacitors which second leads are tied up together and form second lead of antenna. Specified loops can be spatially oriented in same way or in opposition relative to their connected leads which ensures maximum retuning of frequency correspondingly upwards or downwards. EFFECT: expanded range of retuning of working frequencies with simultaneous increase of its efficiency. 3 cl, 2 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к антенной технике, а именно к малогабаритным петлевым антеннам, и может быть использовано в качестве приемо-передающей антенны подвижных средств связи декаметрового и метрового диапазонов длин волн, которая должна сочетать малые массу и габариты и большой диапазон перестройки рабочих частот. The invention relates to antenna technology, namely to small loop antennas, and can be used as a transceiver antenna for mobile communications of decameter and meter wavelength ranges, which should combine small weight and dimensions and a large tuning range of operating frequencies.

Известна малогабаритная петлевая антенна [1] содержащая проводящую петлю и удлиняющие катушки индуктивности, последовательно включенные в разрывы петлевого проводника. Однако потери в катушках индуктивности обусловливают прогрессирующее снижение КПД антенны по мере уменьшения периметра петли. Поэтому реально достижимое (с сохранением приемлемого КПД) уменьшение периметра петли антенны за счет использования удлиняющих катушек индуктивности составляет не более 1,3 1,4 раза. Known small loop antenna [1] containing a conductive loop and extension coil inductance, sequentially included in the breaks of the loop conductor. However, losses in the inductors cause a progressive decrease in the antenna efficiency as the loop perimeter decreases. Therefore, a really achievable (while maintaining an acceptable efficiency) reduction of the perimeter of the antenna loop due to the use of extending inductors is no more than 1.3 1.4 times.

Известна малогабаритная петлевая антенна [2] содержащая проводящую петлю и два настроечных конденсатора, включенных в разрыве петлевого проводника симметрично относительно вывода антенны. В сопоставлении с удлиняющими катушками индуктивности конденсаторы имеют существенно меньшие потери, чем и обеспечивается более высокий КПД антенны по сравнению с антенной, описанной в [1] Тем не менее при использовании настроечных конденсаторов можно уменьшить периметр петли не более, чем в 1,9 2,1 раза, полагая еще приемлемым значение коэффициента стоячей волны, равное 2. В данном случае путем соответствующего подбора величины емкости конденсаторов удается скомпенсировать реактивную составляющую входного сопротивления антенны, но не удается обеспечить требуемую активную составляющую ее входного сопротивления. Known small loop antenna [2] containing a conductive loop and two tuning capacitors included in the gap of the loop conductor symmetrically with respect to the output of the antenna. Compared to extension inductance coils, capacitors have significantly lower losses, which ensures a higher antenna efficiency compared to the antenna described in [1] Nevertheless, when using tuning capacitors, the loop perimeter can be reduced by no more than 1.9 2, 1 time, assuming that the standing wave coefficient is still acceptable, equal to 2. In this case, by appropriate selection of the capacitance of the capacitors, it is possible to compensate for the reactive component of the antenna input resistance, but not etsya provide the required active component of its input impedance.

В качестве прототипа выбрана малогабаритная антенна [3] содержащая разомкнутую петлю и два настроечных конденсатора переменной емкости, первые выводы которых соединены и образуют один вывод антенны, второй вывод одного конденсатора соединен с первым концом петли, а второй вывод другого конденсатора со вторым концом петли и образует второй вывод антенны. As a prototype, a small-sized antenna [3] is selected containing an open loop and two tuning capacitors of variable capacitance, the first terminals of which are connected to form one output of the antenna, the second output of one capacitor is connected to the first end of the loop, and the second output of the other capacitor to the second end of the loop and forms second terminal of the antenna.

Один из недостатков антенны проявляется при ее применении в декаметровом диапазоне длины волн. В этом случае габаритные ограничения на антенну, используемую, например, в подвижных средствах связи, требуют, чтобы периметр петли был меньше 0,25 рабочей длины волны. Однако при указанных размерах периметра петли величина емкости настроечного конденсатора, соединенного со вторым концом петли, становится настолько большой, что технически реализовать такой конденсатор не представляется возможным без использования дополнительно подключенных конденсаторов постоянной емкости. При этом процесс настройки антенны существенно усложняется. Действительно величины емкостей конденсаторов, непосредственно соединенных соответственно с первым и вторым концом петли, определяются выражениями

где ω=2πf рабочая частота; L_п индуктивность петли; R_н - входное сопротивление антенной нагрузки; R_s активная часть входного сопротивления петли, включающая в себя сопротивление излучения R_Σ, сопротивление потерь R_п в проводнике петли и сопротивление потерь в окружающей среде R_ос, R_s= R_Σ + R_п + R_ос
Например, в декаметровом диапазоне петля с периметром 2,5 м, изготовленная из медной трубки диаметром 8 см, будет иметь следующие величины емкостей настроечных конденсаторов (см.табл.1).One of the disadvantages of the antenna is manifested when it is used in the decameter wavelength range. In this case, the overall restrictions on the antenna used, for example, in mobile communications, require that the perimeter of the loop be less than 0.25 of the operating wavelength. However, with the indicated dimensions of the loop perimeter, the capacitance of the tuning capacitor connected to the second end of the loop becomes so large that it is not technically possible to realize such a capacitor without the use of additionally connected capacitors of constant capacitance. In this case, the process of tuning the antenna is significantly complicated. Indeed, the capacitance values of capacitors directly connected respectively to the first and second end of the loop are determined by the expressions

where ω = 2πf operating frequency; L _p loop inductance; R _n - input impedance of the antenna load; R _{s the} active part of the input loop resistance, including the radiation resistance R _Σ , loss resistance R _p in the loop conductor and environmental loss resistance R _OS , R _s = R _Σ + R _p + R _OS
For example, in the decameter range, a loop with a perimeter of 2.5 m, made of a copper tube with a diameter of 8 cm, will have the following capacitances of the tuning capacitors (see table 1).

Для более тонких трубок значения емкостей конденсаторов несколько уменьшается, однако при этом возрастают потери в проводнике петли R_п и уменьшается эффективность антенны. Из табл.1 следует, что при использовании стандартных вакуумных конденсаторов переменной емкости с пределами изменения емкости 10 1000 пФ интервал перестройки рабочих частот петлевой малогабаритной антенны декаметрового диапазона составляет одну октаву (15 30 МГц).For thinner tubes, the capacitance values of the capacitors decrease slightly, however, the losses in the loop conductor R _p increase and the antenna efficiency decreases. From table 1 it follows that when using standard vacuum capacitors of variable capacitance with limits of capacitance change of 10 1000 pF, the tuning interval of the operating frequencies of the decameter loop small-sized antenna is one octave (15 30 MHz).

Другой недостаток прототипа обусловлен его очень низкой эффективностью. В декаметровом диапазоне активная часть входного сопротивления антенн составляет десятые доли и единицы ОМ и обусловлена в основном потерями в проводнике петли, поскольку сопротивление излучения петли составляет тысячные и сотые доли Ом, а окружающая антенну среда, как правило, не обладает магнитными потерями. Отношение R_Σ к R_s определяет КПД антенны, который для малой по сравнению с рабочей длиной волны антенны составляет доли и единицы процентов.Another disadvantage of the prototype is due to its very low efficiency. In the decameter range, the active part of the input impedance of the antennas is tenths and OM units and is mainly caused by losses in the loop conductor, since the loop radiation resistance is in thousandths and hundredths of Ohms, and the medium surrounding the antenna, as a rule, does not have magnetic losses. The ratio of R _Σ to R _s determines the efficiency of the antenna, which is fractions and units of percent for a small antenna compared to the working wavelength.

Изобретение направлено на создание приемо-передающей петлевой антенны с расширенным диапазоном перестройки рабочих частот при одновременном повышении КПД. The invention is directed to the creation of a transceiver loop antenna with an extended range of tuning of the operating frequencies while increasing efficiency.

В соответствии с поставленной задачей приемо-передающая антенна, как прототип, содержит разомкнутую петлю и два настроечных конденсатора, первые выводы которых соединены и образуют один вывод антенны, а второй вывод одного из указанных конденсаторов соединен с первым концом петли. Антенна отличается от прототипа тем, что в нее дополнительно введена вторая разомкнутая петля, первый конец которой соединен со вторым выводом другого на указанных конденсаторов, вторые же концы обеих петель соединены и образуют другой вывод антенны. In accordance with the task, the transceiver antenna, as a prototype, contains an open loop and two tuning capacitors, the first terminals of which are connected and form one terminal of the antenna, and the second terminal of one of these capacitors is connected to the first end of the loop. The antenna differs from the prototype in that it additionally introduces a second open loop, the first end of which is connected to the second terminal of the other at the indicated capacitors, the second ends of both loops are connected and form the other terminal of the antenna.

Для максимального расширения диапазона перестройки рабочих частот вниз указанные петли ориентированы пространственно противоположно относительно их соединенных вторых концов. To maximize the downward adjustment of the operating frequency range, these loops are spatially oriented oppositely with respect to their connected second ends.

Для наибольшего расширения интервала перестройки диапазона рабочих частот вверх указанные петли ориентированы в пространстве одинаково относительно их соединенных вторых концов. To maximize the range of tuning up the range of operating frequencies up, these loops are oriented in space equally with respect to their connected second ends.

На фиг. 1 показано конструктивно-схемное решение предлагаемой антенны в соответствии с изобретением в предпочтительном воплощении пространственно одинаково ориентированными петлями; на фиг.2 другое решение,с пространственно противоположной ориентацией петель. In FIG. 1 shows a structural diagram of the proposed antenna in accordance with the invention in a preferred embodiment, spatially identically oriented loops; figure 2 is another solution with a spatially opposite orientation of the loops.

Предлагаемая приемо-передающая антенна содержит первую разомкнутую проводящую петлю 1 (фиг.1 и 2), аналогичную вторую петлю 2, а также первый и второй настроечные конденсаторы 3 и 4. Первые концы 5 и 6 петель 1 и 2 соединены и образуют один вывод 7 антенны, вторые концы 8 и 9 петель 1 и 2 соединены с выводами 10 и 11 настроечных конденсаторов 3 и 4, другие выводы 12 и 13 которых соединены и образуют другой вывод 14 антенны. На фиг.1 показана одинаковая пространственная ориентация петель 1 и 2 относительно их соединенных первых концов 5 и 6, а на фиг.2 показана противоположная пространственная ориентация этих петель 1 и 2 относительно этих же соединенных концов 5 и 6. The proposed transceiver antenna contains a first open conductive loop 1 (Figs. 1 and 2), a similar second loop 2, and also the first and second tuning capacitors 3 and 4. The first ends 5 and 6 of loops 1 and 2 are connected and form one output 7 antennas, the second ends 8 and 9 of loops 1 and 2 are connected to the terminals 10 and 11 of the tuning capacitors 3 and 4, the other terminals 12 and 13 of which are connected and form another terminal 14 of the antenna. Figure 1 shows the same spatial orientation of the loops 1 and 2 relative to their connected first ends 5 and 6, and figure 2 shows the opposite spatial orientation of these loops 1 and 2 relative to the same connected ends 5 and 6.

Работу предлагаемой приемо-передающей петлевой антенны рассмотрим на примере передающего режима. Для эффективного излучения радиосигнала на рабочей частоте f_р осуществляют согласование входа антенны с выходом передатчика с помощью настроечных конденсаторов 3 и 4. При этом величина емкостей конденсаторов 3 и 4 устанавливаются такими, что резонансная частота одной из петель оказывается выше f_р, а резонансная частота другой петли ниже f_р. Это приводит к тому, что протекающие по петлям 1 и 2 антенны возмущающие токи оказываются сдвинутыми по фазе на величину, близкую к p/2. При таком характере распределения возбуждающих токов им всегда можно сопоставить эквивалентную в отношении создаваемого поля суперпозицию синфазного и противофазного токов на петлях 1 и 2 антенны. Синфазный ток определяет момент тока излучателя, а противофазный ток обеспечивает дополнительный запас энергии, повышая тем самым добротность излучателя и, следовательно, его эффективность.The work of the proposed transceiver loop antenna will consider the example of the transmission mode. To efficiently emit a radio signal at the operating frequency f _r , the antenna input is matched with the transmitter output using tuning capacitors 3 and 4. In this case, the capacitance values of the capacitors 3 and 4 are set such that the resonant frequency of one of the loops is higher than f _p and the resonant frequency is different loops below f _r . This leads to the fact that disturbing currents flowing through loops 1 and 2 of the antenna turn out to be phase shifted by an amount close to p / 2. With this nature of the distribution of exciting currents, they can always compare the equivalent in relation to the created field superposition of in-phase and antiphase currents on loops 1 and 2 of the antenna. Common-mode current determines the current moment of the emitter, and the out-of-phase current provides an additional supply of energy, thereby increasing the quality factor of the emitter and, therefore, its efficiency.

Расчет характеристики предлагаемой антенны, величины емкостей настроенных конденсаторов 3 и 4 с помощью строгих электродинамических методов представляет серьезные математические трудности. Однако, учитывая малые по сравнению с рабочей длиной волны размеры петель 1 и 2, можно с достаточной для практических целей точностью составить эквивалентную схему предлагаемой антенны в виде параллельного контура, образованного двумя индуктивно связанными последовательными контурами, состоящими из индуктивностей петель 1 и 2 и емкостей конденсаторов 3 и 4. Величина индуктивности связи контуров и ее знак (положительная или отрицательная связь) определяется расстоянием между петлями и их взаимной пространственной ориентацией. The calculation of the characteristics of the proposed antenna, the capacitance of tuned capacitors 3 and 4 using strict electrodynamic methods presents serious mathematical difficulties. However, taking into account the small sizes of loops 1 and 2 compared to the working wavelength, it is possible, with practical accuracy, to make an equivalent circuit of the proposed antenna in the form of a parallel circuit formed by two inductively coupled series circuits consisting of inductances of loops 1 and 2 and capacitor capacitors 3 and 4. The magnitude of the inductance of the coupling of the loops and its sign (positive or negative coupling) is determined by the distance between the loops and their mutual spatial orientation.

Если согласно формуле изобретения петли 1 и 2 антенны ориентированы одинаково относительно их соединенных вторых концов 5 и 6 (фиг.1), то индуктивная составляющая собственно входного сопротивления каждой петли 1 и 2 уменьшается на величину взаимоиндукции индуктивно связанных петель, и при заданных величинах емкостей настроечных конденсаторов 3 и 4 диапазон согласования антенны расширяется в сторону более высших частот. If, according to the claims, antenna loops 1 and 2 are oriented identically with respect to their connected second ends 5 and 6 (Fig. 1), then the inductive component of the input impedance of each loop 1 and 2 decreases by the amount of mutual induction of the inductively coupled loops, and for given values of the tuning capacities capacitors 3 and 4, the matching range of the antenna expands towards higher frequencies.

При противоположной ориентации петель относительно их соединенных вторых концов 5 и 6 (фиг.2) индуктивная составляющая собственного входного сопротивления каждой петли увеличивается на величину взаимоиндукции индуктивно связанных петель 1 и 2 и при заданных величинах емкостей настроечных конденсаторов 3 и 4 диапазон согласования антенны расширяется в сторону более низких частот. With the opposite orientation of the loops relative to their connected second ends 5 and 6 (Fig. 2), the inductive component of the intrinsic input resistance of each loop increases by the amount of mutual induction of the inductively coupled loops 1 and 2, and for given capacitances of the tuning capacitors 3 and 4, the antenna matching range extends to the side lower frequencies.

Можно показать, что, например, в случае круглых петель радиуса b изготовленных из проводника радиуса a и расположенных компланарно на расстоянии c, величины емкостей настроечных конденсаторов определяются выражением

волновое число; R_н требуемое входное сопротивление антенны.It can be shown that, for example, in the case of round loops of radius b made of a conductor of radius a and located coplanarly at a distance c, the capacitances of the tuning capacitors are determined by the expression

wave number; R _{n is the} required input impedance of the antenna.

Из выражения (1) следует, что величины емкостей настроечных конденсаторов незначительно отличаются друг от друга и выбираются таким образом, что один из последовательных контуров, образованный индуктивностью петли и емкостью настроечного конденсатора, настроен несколько ниже рабочей частоты и имеет индуктивный характер входного сопротивления, а второй контур настроен несколько выше рабочей частоты и имеет емкостной характер входного сопротивления. В целом антенна согласуется с любым наперед заданным активным сопротивлением антенной нагрузки R_н.From the expression (1) it follows that the capacitances of the tuning capacitors slightly differ from each other and are selected in such a way that one of the series circuits formed by the loop inductance and the capacitance of the tuning capacitor is set slightly lower than the operating frequency and has an inductive character of the input resistance, and the second the circuit is tuned slightly above the operating frequency and has a capacitive character of the input resistance. In general, the antenna is consistent with any previously set active resistance of the antenna load R _n .

В качестве примера в табл.2 приведены величины емкостей настроечных конденсаторов 3 и 4, обеспечивающих входное сопротивление, равное 75 Ом, для приемо-передающей антенны декаметрового диапазона, содержащей две круглые петли с периметром 2,5 м каждая, изготовленные из медной трубки диаметром 8 см и расположенные на расстоянии 40 см друг от друга. Первый вариант антенны соответствует одинаковой ориентации петель 1 и 2 относительно их соединенных концов 5 и 6 (фиг.1), а второй вариант антенны соответствует противоположной ориентации петель 1 и 2 относительно их соединенных концов 5 и 6 (фиг. 2). As an example, Table 2 shows the capacitances of tuning capacitors 3 and 4, providing an input impedance of 75 Ohms for a decameter transceiver antenna containing two round loops with a perimeter of 2.5 m each, made of a copper tube with a diameter of 8 cm and located at a distance of 40 cm from each other. The first variant of the antenna corresponds to the same orientation of the loops 1 and 2 relative to their connected ends 5 and 6 (Fig. 1), and the second version of the antenna corresponds to the opposite orientation of the loops 1 and 2 relative to their connected ends 5 and 6 (Fig. 2).

Сравнение величины емкостей настроечных конденсаторов антенны-прототипа и предлагаемой антенны показывает, что при заданных пределах изменения величины емкостей настроечных конденсаторов 3 и 4 диапазон перестройки рабочих частот предлагаемой приемо-передающей петли антенны расширяется в 5 6 раз по сравнению с диапазоном перестройки рабочих частот антенны-прототипа. A comparison of the capacitance of the tuning capacitors of the antenna prototype and the proposed antenna shows that for a given range of changes in the capacitance of the tuning capacitors 3 and 4, the range of tuning of the operating frequencies of the proposed transceiver loop of the antenna extends 5 6 times compared with the tuning range of the operating frequencies of the antenna of the prototype .

Из табл.2 следует, что величины емкостей настроечных конденсаторов 3 и 4 незначительно отличаются друг от друга. Очевидно, что если периметры петель 1 и 2 не равны, то можно подобрать такое отношение их параметров, при котором согласование антенны осуществляется одинаковыми настроечными конденсаторами, перестраиваемыми синхронно, что существенно упрощает процесс настройки антенны. From table 2 it follows that the capacitance values of the tuning capacitors 3 and 4 are slightly different from each other. Obviously, if the perimeters of loops 1 and 2 are not equal, then you can choose a ratio of their parameters at which the antenna is matched by the same tuning capacitors, tunable simultaneously, which greatly simplifies the process of tuning the antenna.

Повышение эффективности предлагаемой приемо-передающей петлевой антенны по сравнению с эффективностью антенны-прототипа происходит вследствие снижения потерь в проводниках при параллельном соединении петель. Следовательно, при постоянной подводимой к антенне мощности возрастает момент тока в антенне и соответственно повышается ее КПД. The increase in the efficiency of the proposed transceiver loop antenna in comparison with the efficiency of the prototype antenna is due to the reduction of losses in the conductors with parallel loops. Therefore, with a constant power supplied to the antenna, the current moment in the antenna increases and its efficiency increases accordingly.

Работоспособность и преимущества по сравнению с антенной-прототипом были подтверждены испытаниями изготовленной в Сибирском физико-техническом институте антенны. При установке приемо-передающей петлевой антенны внутри автомобиля УАЗ-469 с брезентовыми тентом была осуществлена круглосуточная двухсторонняя радиосвязь с базовой станцией в диапазоне 3 6 МГц на расстояниях до 500 км в движении и на стоянках. Efficiency and advantages in comparison with the prototype antenna were confirmed by tests of the antenna manufactured at the Siberian Institute of Physics and Technology. When installing the transceiver loop antenna inside the UAZ-469 car with tarpaulin tarpaulin, round-the-clock two-way radio communication was made with the base station in the 3 6 MHz range at distances of up to 500 km in traffic and in parking lots.

Claims

1. The transceiver loop antenna containing an open loop and two tuning capacitors, the first terminals of which are connected and form one terminal of the antenna, and the second terminal of one capacitor is connected to the first end of the loop, characterized in that a second open loop is introduced into it, the first end of which connected to the second terminal of the other capacitor, the second ends of both loops are connected and form another terminal of the antenna.

2. The antenna according to claim 1, characterized in that said loops in it are oriented opposite to their connected second ends.

3. The antenna according to claim 1, characterized in that in it said loops relative to their connected second ends are oriented identically.