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.

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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2