Высокочастотная антенна. Кв антенны

Владельцы патента RU 2566608:

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.

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.

Изобретение относится к антенной технике. Трехкомпонентное приемное антенное устройство содержит металлическое основание, на котором размещены две взаимно ортогональные приемные магнитные антенны на стержневых ферритовых сердечниках с обмотками на каждом из сердечников, три симметрирующих трансформатора, три разъема, емкостную антенну, торцевые элементы антенного снижения. При этом дифференциальные выводы обмоток через симметрирующие трансформаторы соединены с соответствующими разъемами. Электрические экраны антенн выполнены с продольными щелями, линии связи выполнены экранированными, магнитные антенны смещены относительно друг друга по вертикали, расположены над металлическим основанием, плоскость которого параллельна продольным осям магнитных антенн, обмотки каждой из магнитных антенн помещены в собственный электрический экран. Емкостная антенна содержит верхний и нижний металлические электроды, состоящие из четырех плоских сегментов, которые расположены аксиально симметрично в одной плоскости вокруг центральной оси устройства и электрически соединены между собой в общей точке. Причем плоскость верхнего электрода расположена над верхней магнитной антенной, а плоскость нижнего электрода расположена под нижней магнитной антенной. Технический результат - устранение двузначности определения пеленга. 3 ил.

Изобретение относится к приемным магнитным антеннам с всенаправленной диаграммой направленности и может быть использовано в полевых условиях в носимом приемнике персонала МЧС и т.п. для приема радиосигналов команд и аварийного оповещения. Магнитная антенна состоит из двух катушек индуктивности, выполненных на двух ферромагнитных сердечниках, расположенных под углом 90° относительно друг друга. Причем катушки индуктивности электрически подключены синфазно, а к их концам параллельно подключен дополнительно введенный конденсатор. Технический результат заключается в получении всесторонней диаграммы направленности. 1 ил.

Изобретение относится к антеннам метрового диапазона волн. Рамочная антенна содержит проводящую трубку (ПТ) с первым концом и вторым концом, согнутую в кольцо с образованием зазора между первым и вторым концами, фидер, дополнительно содержит первую проводящую втулку (ППВ) и вторую проводящую втулку (ВПВ), согласующий отрезок кабеля (СОК) с первым концом и вторым концом, при этом ППВ установлена в ПТ в области первого ее конца с образованием точки гальванического контакта с ПТ, ВПВ установлена в ПТ в области второго ее конца с образованием точки гальванического контакта с ПТ, СОК проложен в ПТ через ВПВ с образованием в области зазора точки гальванического контакта между внешним проводником СОК и ВПВ, второй конец СОК разомкнут и ни с чем не соединен, в области, диаметрально противоположной указанному зазору, выполнено отверстие, фидер введен в ПТ через указанное отверстие и проложен в ПТ до первого ее конца, внешний проводник фидера в области зазора соединен с ППВ с образованием точки гальванического контакта, центральный проводник фидера проложен в области зазора с образованием точки гальванического контакта с центральным проводником СОК. Технический результат заключается в возможности точной настройки рамочной антенны на рабочую (резонансную) частоту. 7 ил.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к рамочным антеннам, используемым в качестве источника магнитного поля. Излучающая антенна содержит две идентичные рамки, каждая из которых представляет собой металлическую трубку, имеющую поперечный разрез, делящий трубку на две изолированные друг от друга равные части, внутри которой расположен проводник, и электрически связанное с рамками согласующее устройство. Согласующее устройство имеет металлический корпус, на котором закреплены указанные металлические трубки, с расположенным внутри его цилиндрическим резистором, ось симметрии которого совпадает с осью симметрии корпуса, а к каждому из торцов присоединена сборка параллельно соединенных и радиально расположенных чип-конденсаторов. При этом резистор, указанные сборки и рамки антенны электрически соединены между собой с образованием моста, в диагональ которого включен резистор, в одну пару плеч включены указанные сборки чип-конденсаторов, а в другую - проводники рамок антенны. Технический результат заключается в расширении диапазона рабочих частот излучающей антенны. 3 н.п. ф-лы, 4 ил.

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 проводник одного сегмента подключен ко второму 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.

\р.л. конструкции\антенны\...

Высокочастотные усилители против антенн

Этот материал полезен для тех, кто хотел бы потратить деньги для улучшения качества связи с максимальной эффективностью, В нём рассмотрены различные способы достижения так необходимых всем децибел и приведена оценка затрат для их получения.

А. Дубинин RZ3GE, А. Калашников RW3AMC

Не все, но многие радиолюбители, рано или поздно сталкиваются с проблемой улучшения качества связи. Вопросов при этом возникает много, но основных, как правило, всего два: покупать мощный линейный усилитель или улучшать антенную систему? И тот и другой во многом можно отнести к разряду философских. Ну а мы попробуем подробно рассмотреть их с точки зрения материальных затрат и эргономики, т.е. - улучшения потребительских качеств радиосистемы и, на основе этих размышлений попытаемся дать советы, которыми некоторые из вас смогут даже попытаться воспользоваться.

В последние годы в мире наблюдается устойчивая тенденция к уменьшению мощности передатчиков там, где такая возможность существует. Это обусловлено внедрением нового направления развития современной техники - энергосбережения, позволяющего экономить постоянно истощающиеся запасы полезных ископаемых, которые в свою очередь, используются для производства электрической энергии, и всё более громкими заявлениями “зелёных” о вреде любого радиоизлучения. Эти факты, естественно, не являются определяющими при выборе способа улучшения эффективности связи для миллионов радиолюбителей во всём мире. Им (в т.ч. нам) всё время хочется дальше-больше-мощнее, даже если при этом придётся одеться в свинцовые халаты! Кому-то нужен первый DXCC, кому-то 9В WAZ, и так до бесконечности! Накопление наград, прославляющих нас самих, для некоторых становится целью жизни №1! С возрастом это превращается в привычку, и остановиться уже невозможно.

Первое, что радисту приходит в голову при желании выделиться среди остальных - это изготовить необыкновенно мощный усилитель. Однако при детальном рассмотрении задачи факты указывают на то, что установка излишне мощного линейного усилителя для увеличения уровня излучаемого сигнала является далеко не оптимальным решением.. Одним из таких фактов является соотношение цена/качество достигнутого результата. Ну а в нашей стране проблема цены удовольствия пока остается в этом вопросе, пожалуй, главной.

Перед дальнейшим рассмотрением вопроса сделаем небольшое отступление для краткого ознакомления с неким прибором: т.н.- S-метром, предназначенным для оценки силы сигнала по S-шкале соответственно. Таким прибором снабжены все промышленно выпускающиеся трансиверы. Шкала этого прибора является нелинейной, а цена деления его шкалы соответствует изменению сигнала на 6 дБ. Таким образом, 1 балл соответствует 6 дБ. Показания S-метра любого трансивера нельзя рассматривать как абсолютно точные и, порой, даже как приблизительные (нельзя забывать, что на KB уровень сигнала приходящего из эфира вообще НЕЛЬЗЯ сравнивать с пришедшим РАНЕЕ из-за случайного характера его пути от излучателя к приёмнику, ещё сложнее это сделать в режиме SSB, т.к. амплитуда сигнала меняется из за изменения уровня голоса оператора). Эти показания годятся лишь для проведения качественного анализа степени увеличения излучаемой мощности передающего устройства.

Теперь проведём некое практическое занятие. Попробуем постепенно увеличивать выходную мощность передатчика и наблюдать насколько изменяются показания S-метра на приёмнике вашего корреспондента и построим график, в котором отражаются затраты на приобретение соответствующего усилителя. Известно, что для увеличения силы сигнала на принимающей стороне на 3 дБ необходимо увеличить мощность усилителя передающей станции В ДВА РАЗА! Заметим, что 3 дБ соответствуют только половине одного деления шкалы S-метра, т.е. ровно пол-балла!

Соответственно, для увеличения силы сигнала на принимающей стороне всего на один балл по шкале S-метра необходимо увеличить мощность передатчика уже в ЧЕТЫРЕ раза! Используя такую нехитрую арифметику можно подсчитать степень увеличения мощности выходного сигнала вашего корреспондента исходя из показаний S-метра. На рис. 1 показаны три шкалы S-метра с показаниями, соответствующими различным мощностям усилителя корреспондента иллюстрирующими это правило.

Таким образом, применение усилителя мощностью 1 кВт вместо 100-ваттного вызовет увеличение сигнала на приемнике вашего корреспондента примерно на 10 дБ (1.5 балла по S-метру), что, безусловно, является весьма заметным событием для оператора, но становится ещё более заметным, когда понимаешь, что платить за это удовольствие приходится около 1500 $. Именно столько стоит киловаттный усилитель невысокого качества. Покупка усилителя мощностью 1,5 кВт (всего на 500 Вт мощнее!) обойдётся уже в сумму около 2500 $ (примеры приведены ниже), а на S-метре вы увидите увеличение показаний на 0.5 балла. Здесь речь идёт о средней стоимости промышленных KB усилителей для любительских целей, исключая поделки отечественных кулибиных и устройства Министерства обороны.

Интересный вывод: в этом случае разница между 5-6 и 5-8 будет стоить около 2500 $. Однако затраты радиолюбителей, выбравших именно этот путь для улучшения своих достижений, не ограничиваются затратами на усилитель. Например: в случаях, когда усилитель не имеет выходного перестраиваемого контура, необходимо использовать антенный тюнер. Стоимость выпускающихся промышленностью тюнеров, рассчитанных на мощность 300 Вт, составляет в среднем 500 $. Ну и, конечно, не стоит забывать о плате за электроэнергию. Усилитель, выходная мощность которого составляет 500 Вт, потребляет примерно 1000 Вт из сети. Такая пропорция сохраняется и при других мощностях. Например, любимая многими ГУ-78 при 4 кВт в антенне потребляет из сети уже около 8 кВт. А промышленные широкополосные передатчики типа “БРИГ” (1кВт), “ПЛАМЯ” (10 кВт) и подобные им, работают с КПД всего около 30% - дальше считайте сами. При подсчётах учтите также и то, что эта аппаратура является источником помех другим работающим электронным устройствам. В первую очередь - конечно, телевидению. Усилители мощности создают много, мягко говоря, неудобств для любителей бесконечных телесериалов, с которыми хочешь не хочешь - приходится считаться. С многими проблемами, связанными с помехами телевидению помогут справиться разного рода фильтры. Они тоже стоят денег. (Совсем недавно выпуск некоторых их них освоен саратовской компанией REMO. Дешевле и лучше, чем импортные...)

Но, если станция находится в сельской местности, то нехватка электроэнергии вообще не даст сделать даже длинного “а-а-а-а-а-лё, раз, два, три...”. В деревянных сельских домах и домах “новых русских” одна из важнейших проблем - пожаробезопасность. Огнетушители и качество проводки станут постоянной головной болью. В итоге набежит немалая сумма. Это только основные аспекты, связанные с использованием мощного усилителя.

А сейчас рассмотрим подробнее иную возможность улучшения качества связи: использование эффективной антенной системы. На что необходимо обратить внимание в этом случае:

Первое . Необходимо понимать, что: усилители усиливают только сигнал передатчика и, в отличие от антенн, ничего не делают для улучшения приёма.

Второе . Крайне важным свойством антенны является возможность уменьшать уровень мешающего сигнала за счет использования её направленных свойств. Вращая антенну, можно добиваться оптимального её направления, соответствующего наиболее качественному приёму сигнала, т.е. улучшать отношение сигнал/шум - важнейший параметр в радиосвязи.

Стоимость антенны, обеспечивающей аналогичный прирост уровня сигнала на передачу, будет на порядок меньше, чем стоимость мощного усилителя. Как уже говорилось, увеличение мощности выходного усилителя на 6 дБ (всего 1 балл на S-метре вашего корреспондента), т.е. в ЧЕТЫРЕ раза примерно со 100 Вт (мощность стандартного трансивера), стоит: QRO HF-1000 (600 Вт)-2690$, Ameritron AL-80 В (850 Вт РЕР)-1350$, Ameritron 811 В (600 Вт РЕР)-1050 $, Command Technologies HF-1250 (800 Вт)-3250$ (приведены цены московских компаний). Конкретно 400-ваттных усилителей при подготовке этого материала найти не удалось. Интересно, что тот же прирост (около 6 дБ) по отношению к столь популярному в народе “длинному проводу” в 84 метра имеет, например, обычная 4-х элементная антенна Яги или аналогичные квадраты. А применение более серьёзных антенн обеспечивает ещё большее усиление соответственно. Стоимость таких антенн отечественных производителей составляет примерно от 100 до 400$, в зависимости от диапазона и степени сложности собственно антенны. Мы приводим весьма усреднённые цены, но даже они красноречиво говорят сами за себя. Кроме того, необходимо иметь в виду, что антенна с горизонтальной поляризацией расположенная над землёй имеет усиление примерно на 5-6 дБ больше, нежели в свободном пространстве (точное значение зависит от параметров земли). Этот фактор необходимо учитывать при рассмотрении эффективности усилителей и антенн. Прирост мощности от 1 кВт до 4 кВт (снова всего 1 балл на S-метре!) обойдётся вам уже в 4-9 тыс. $: (QRO 3 KDX (2.8 кВт), Henry 3 k ULTRA (ЗкВт), HF-2500E (2.5 кВт)).

Визуальная иллюстрация этого приведена на рис.2.

На горизонтальной оси отложены значения усиления антенн, расположенных на высоте 22 метра над реальной землёй выраженные в дБи (подробно об усилении см. стр.4 каталога “БРИЗ Зима 2001”). Здесь же нанесены значения мощности сигнала, которую излучает антенна при условии, что выходная мощность передатчика (трансивера) составляет 100 Вт. При этом за начало координат принято именно это значение. Усиление и мощность нанесены на одну и ту же ось для того, чтобы можно было наглядно продемонстрировать разницу в цене усиления сигнала для усилителей и антенн. На вертикальную ось нанесена цена, которую вам придется заплатить за все то, что нанесено на горизонтальную. В виде графиков представлены данные для антенн диапазонов 7, 14, 21 и 28 МГц и стэка из двух антенн диапазона 14 МГц. Таким образом, графики показывают, какова сегодня средняя московская цена за усиление, получаемое теми или иными антеннами. Например, из рисунка видно, что антенну диапазона 14 МГц с усилением 16 дБи (5 элементов YAGI), можно приобрести за 750 $. Точками отмечены усилители мощности, которые можно приобрести сегодня в московских компаниях. При этом усилители находятся в более выгодном, по отношению к антеннам, положении, поскольку значения излучаемой в эфир мощности соответствуют работе усилителя на полуволновый диполь, расположенный на высоте 22 м. Возьмём, к примеру, усилитель ALPHA-87 А. При 100 ваттах на входе выходная мощность его составляет 1.5 кВт, что соответствует усилению примерно 12 дБ (15 раз) Если бы этот усилитель был подключен к изотропному излучателю, то мы бы нанесли его на наш рисунок на вертикальную ось, соответствующую значению 12 дБ. Однако в нашем случае все усилители работают на полуволновый диполь, поэтому нам необходимо добавить 2.15 дБ (разница в усилении между изотропным излучателем и диполем) и добавку примерно в 5 дБ, возникающую за счет влияния земли. Итого - почти 19 дБ, что и показано на рисунке. Если сигнал мощностью 100 Вт усилить на 19 дБ получится почти 8000 Вт. Такое же усиление в 19 дБи (т.е. относительно изотропного излучателя) имеет стэк всего из двух антенн. Показательно то, что цена за одно и то же усиление различается почти в 6 раз! Ещё более показательным выглядит стоимость одинакового прироста усиления для усилителей и для анетнн. Напомним: увеличение мощности на 3 дБ (например, с QRO-1000 до QRO-2500) будет стоить почти 2000 $, в то время как те же 3 дБ прироста для больших антенн диапазона 7 МГц обойдётся всего в 300-400 $.

На рисунке не показаны более мощные усилители, выпускаемые промышленно, поскольку их цена превышает значения, показанные на вертикальной оси и именно по этой причине доступны единицам отечественных радиолюбителей, так что их появление в России можно считать исключением.

При этом пусть вас не смущает то, что мы сравниваем однодиапазонные антенны с усилителями, работающими на всех диапазонах, ведь если у вас есть антенна только на один диапазон, то, покупая усилитель, вы “в нагрузку” получите возможность “усиливать” и все остальные диапазоны, работать на которых не сможете.

Из графика видно, какую сумму можно сэкономить, установив соответствующую антенну, при этом обеспечив тот же результат на S-метре вашего корреспондента.

Кроме всего прочего у вас есть возможность плавно улучшать показатели антенной системы, создавая стэки антенн. Грамотно объединив в стэк всего две антенны, можно улучшить приём сразу (в лучшем случае) в два раза, т.е. на 3 дБ. На практике, все получается куда более загадочнее: переключая взаимно антенны стэка и фазы их питания в различных комбинациях (сейчас это делают крохотные приборчики!) можно изменять диаграмму направленности в вертикальной плоскости всей антенной системы, выбирая наиболее подходящий в данный момент вариант. В нашей стране таких антенн на KB крайне мало, а УКВ-истов, использующих такие антенны было мало, и становится всё меньше и меньше. А вот в мире преимущества такой конструкции антенной системы известны давно. Чего стоит, например, стэк OH8OS, состоящий из 6 антенн по 6 элементов на диапазон 20 метров (три этажа по 2), на мачте высотой 60 метров и весом 1.5 тонны, которая имеет усиление около 25 дБи! Иными словами это равносильно подключению к 100-ваттному трансиверу 30 киловаттного усилителя!

Или антенна W5UN - главного "лунника" планеты. Его конструкция состоит из 32-х 17-ти элементных антенн. Ширина лепестка антенны в плоскости Е всего 3.7°, а усиление составляет 32 дБи (1585 раз по мощности)! Вращается такая конструкция двумя грузовиками, причем, для совершения полного оборота требуется примерно 7 минут!

Конструкции КС1ХХ, NCOP, W3LPL, W6KPC - фантастичные сооружения! Конечно, эти умопомрачительные конструкции антенн недоступны большинству обычных радиолюбителей, однако более простые конструкции, состоящие из 2-х этажей современных многодиапазонных антенн под силу многим. Важно учитывать, что при увеличении мощности выходного усилителя увеличение его цены происходит по геометрической прогрессии, а улучшение параметров антенн (даже учитывая стоимость набора мачта-редуктор) даётся значительно меньшими силами и затратами.

Таким образом модернизация антенной системы является наиболее оптимальным способом повышения эффективности всей радиосистемы, позволяющим не только существенно улучшить качество радиосвязи, но и минимизировать материальные затраты. Также улучшение параметров антенны позволяет избавиться от всех недостатков, описанных выше, сопутствующих применению мощного линейного высокочастотного усилителя сигнала.

На наш взгляд можно обозначить 5 условных категорий оснащения любительских станций, где переход в каждую последующую, при сохранении предыдущих достижений, позволяет ощутить реальный качественный скачок в результатах работы. Первая начальная определяется следующим набором: - 100 ватт и длинный провод или многодиапазонная штыревая антенна. Вторая : применение усилителя с выходной мощностью около 1 кВт. Третья : установка вращаемой направленной антенны. Четвёртая : увеличение выходной мощности до 3-4 кВт. И последняя, пятая : установка стэков антенн. На этом этапе можно отдохнуть, и до пенсии (или в течении её!) беззаботно работать в эфире. Успех вам обеспечен!

Окончательное решение по выбору способа повышения эффективности работы вашей станции всегда остаётся за вами.

Важная справка: на территории России в лицензиях первой (высшей!) категории на KB (исключая 160 м) разрешена выходная мощность 200 ватт!

В заключение статьи мы приводим полезную таблицу. Внимательно изучив её, можно сделать интересные выводы, как то: во сколько раз (примерно) ваш корреспондент увеличил выходную мощность своего РА, когда ваш S-метр показал разницу в 4 балла (4 балла - это 24 дБ или 250 раз по мощности...), хотя он уверяет вас, что у него ЗхГУ-50. Либо во сколько раз “усилится” ваш сигнал при подключении антенны с усилением 5 дБд вместо “длинного провода” (5 дБ=3.1 раза по мощности).

А. Дубинин (RZ3GE), А. Калашников (RW3AMC)

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.