Антенна плоская емкостная

Заявленное устройство относится к антенной технике и может быть использовано в аппаратуре связи, передачи данных и навигации в ДВ, СВ, КВ и УКВ диапазонах частот. Особенностью плоской емкостной антенны, является наличие развернутого в пространстве плоского емкостного элемента антенны, что намного упрощает конструкцию, в сравнении с применением цилиндрических емкостных элементов, и дает возможность интегрировать антенну в различные устройства. Плоская емкостная антенна содержит две плоских токопроводящих поверхности, разнесенные в пространстве и образующие в совокупности емкостной элемент антенны. Последовательно с емкостным элементом включена катушка индуктивности, образующая совместно с емкостным элементом последовательный колебательный контур, настроенный на заданную рабочую частоту антенны. На резонансной частоте контура, образованного катушкой и развернутыми в пространстве плоскими токопроводящими плоскостями конденсатора, между токопроводящими плоскостями, образуется высокочастотное напряжение, вызывающее сильное высокочастотное электрическое поле E. Это поле вызывает образование токов смещения между развернутыми в пространстве плоскостями. Токи смещения, в свою очередь, создают сильное поле H. В совокупности, создается сильное электромагнитное поле. Питание антенны происходит по коаксиальному кабелю, подключенному к отводу катушки индуктивности и путем изменения точки подключения кабеля к катушке, позволяет производить согласование антенны с кабелем в широких пределах волновых сопротивлений.

Заявленное устройство относится к антенной технике и может быть использовано в аппаратуре связи, передачи данных и навигации в ДВ, СВ, КВ и УКВ диапазонах частот.

Из предшествующих технических решений, наиболее близкая к заявленному техническому решению, известна антенна малогабаритная емкостная с согласующей катушкой индуктивности, содержащая соединенные последовательно катушку индуктивности и емкостной элемент, обкладки которого выполнены в виде вертикально расположенных одна над другой соосных цилиндрических токопроводящих поверхностей. Соединение элементов образует антенный колебательный контур с резонансом на заданной частоте передаваемого или принимаемого электромагнитного сигнала. RU 2470424 C1, H01Q 9/04, 12.10.2011.

Недостатками данного технического решения является выполнение емкостного элемента в виде вертикально расположенных одна над другой соосных цилиндрических токопроводящих поверхностей, что делает конструкцию антенны сложной в изготовлении и не дает возможности интегрировать ее в устройство, транспортное средство или летательный аппарат, для которого она предназначена.

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое устройство, заключается в принципиальном упрощении конструкции антенны и возможности интеграции антенны в конструкцию устройства, как составляющей части устройства, для которого она предназначена, а также в улучшении электрических характеристик антенны.

Выполнение данной задачи достигается за счет того, что плоская емкостная антенна имеет две плоские, токопроводящие поверхности, выполненные из меди, латуни, бронзы или алюминия. Плоские токопроводящие поверхности расположены в одной плоскости, с возможностью поворота одной из токопроводящих плоскостей на угол от 0 до 90 градусов по отношению к другой плоскости и разнесенные в пространстве, образующие емкостной элемент антенны. Соединенные последовательно катушка индуктивности и емкостной элемент антенны, образуют колебательный контур, настроенный на резонансную частоту передаваемого или принимаемого электромагнитного сигнала.

Конструкция антенны упрощается за счет отказа от цилиндров и замене их плоскими поверхностями. Кроме того, исключается провод, идущий от катушки индуктивности, через нижний цилиндр антенны к верхнему цилиндру. Этот провод образует паразитную емкость на нижний цилиндр и часть мощности, подводимой к антенне, в этой емкости становится реактивной и не излучается, что соответственно уменьшает КПД антенны.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является наличие развернутого в пространстве плоского емкостного элемента, что намного упрощает конструкцию антенны и дает возможность интегрировать антенну в устройство, для которого она предназначена. Например, плоская емкостная антенна может быть расположена на неметаллической плоской конструкции корабля, являться частью конструкции подвижных (автомобиль) или стационарных (контейнер) устройств.

Кроме того увеличивается КПД антенны, за счет исключения провода проходящего через нижний цилиндр.

По результатам испытаний на земле и в воздухе, плоская емкостная антенна дает выигрыш в усилении на 2-3 dB, по сравнению с прототипом RU 2470424 C1, H01Q 9/04, 12.10.2011.

Плоская емкостная антенна (фигура 1а) состоит из двух плоских токопроводящих поверхностей 1 и 2, расположенных в одной плоскости, с возможностью поворота токопроводящей плоскости 2 на угол от 0 до 90 градусов относительно токопроводящей плоскости 1 (фигура 1б). Плоскости 1 и 2 могут быть установлены на изолирующих подставках или располагаться на не токопроводящей (например, из стеклотекстолита), поверхности любого устройства, повторяя конфигурацию устройства. Между плоскими токопроводящими поверхностями 1 и 2 включена катушка индуктивности 3, настроенная, в совокупности с емкостным элементом на частоту резонанса приемной или передающей электромагнитной волны. Антенна соединяется с фидерной линией с помощью высокочастотного разъема.

Катушка индуктивности может быть выполнена также плоской (печатной), что еще более способствует интеграции антенны в устройство, для которого она предназначена.

Токопроводящие плоскости могут иметь различную геометрическую конфигурацию, необходимую для адаптации конструкции антенны к тому устройству, для которого она предназначена. По умолчанию, плоскости имеют вид квадрата или прямоугольника с соотношением сторон не более 1:3. В любом случае, площадь токопроводящей поверхности 2 должна быть не меньше площади токопроводящей поверхности 1.

Антенна подключается к передатчику или приемнику с помощью фидерной линии (коаксиальный кабель), причем оплетка кабеля подключена к нижней токопроводящей поверхности 2, а центральная жила кабеля подключена к отводу от катушки - автотрансформаторное включение. Изменением точки подключения кабеля к катушке, достигается точное согласование входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением кабеля. Диапазон согласования антенны с кабелем в данном включении очень широк и может быть от единиц Ом до сотен Ом, предполагая точное согласование антенны с любым волновым сопротивлением кабеля. При стационарном исполнении антенны, изменяя угол между токопроводящими поверхностями 1 и 2, можно производить подстройку антенны по частоте в небольших пределах.

В случае, если подстилающая антенну поверхность имеет хорошую, стабильную по времени и не зависящую от климатических условий электропроводность, эта поверхность может заменить плоскую токопроводящую поверхность 2 самой антенны и тем самым упростить конструкцию антенны.

При использовании токопроводящих элементов антенны в одной плоскости, антенну можно использовать как составную часть какого либо устройства или транспортного средства (например, на не токопроводящей поверхности корабля). При использовании конфигурации антенны, где токопроводящие плоскости, расположены под углом в 90 градусов, появляется возможность располагать антенну на крыше транспортного средства (например, на автомобиле или на контейнере), используя токопроводящую поверхность транспортного средства как составную часть антенны.

Плоская емкостная антенна работает следующим образом (фигура 2): Высокочастотное напряжение от передатчика поступает по коаксиальному фидеру, согласованному с антенной на необходимой частоте, к клеммам катушки индуктивности. На резонансной частоте контура, образованного катушкой и развернутыми в пространстве плоскими токопроводящими поверхностями конденсатора образуется высокочастотное напряжение равное:

U_~=Q*n

где: Q - добротность колебательного контура, образующего антенну;

n - коэффициент трансформации, подключения коаксиального кабеля к отводу катушки индуктивности.

Высокочастотное напряжение между токопроводящими плоскостями 1 и 2 создает сильное высокочастотное поле E в пространстве, окружающем антенну, которое, в свою очередь, создает в пространстве между токопроводящими плоскостями токи смещения 4 (первое уравнение Максвелла). Токи смещения 4, создают сильное высокочастотное поле H 7 в пространстве, окружающем антенну. Напряжение между токопроводящими поверхностями 1 и 2 создает также в промежутке между торцами поверхностей токи поляризации 6 и токи проводимости 5 в токопроводящих поверхностях. Эти токи являются продолжением токов смещения создаваемых антенной и вносят дополнительный вклад в излучающую способность антенны. Так как плоская емкостная антенна работает в резонансном режиме и реактивные сопротивления в антенне малы (размеры антенны малы, в сравнении с длиной волны), то потери будут определяться главным образом, омическими потерями в катушке индуктивности и переходных сопротивлениях в соединениях. Эти потери также малы, по сравнению с сопротивлением излучения антенны, отсюда КПД антенны будет большой и может достигать 90 и более процентов. Так как геометрические размеры плоской емкостной антенны малы, по сравнению с традиционными проволочными дипольными антеннами, наблюдается слабая зависимость размеров антенны от рабочей частоты (размеры антенны, в среднем, в 20-30 раз меньше длины волны). Реальная диаграмма направленности, снятая при экспериментах с антенной, с помощью летательных аппаратов, приближается к сферической в вертикальной плоскости и круговой в горизонтальной плоскости.

В силу того, что геометрические размеры элементов антенны малы, и токи проводимости в элементах антенны также имеют малую протяженность по сравнению с длиной волны, это не создает задержки фаз между E и H полями, созданными напряжением между токопроводящими пластинами и токами смещения между теми же пластинами. Таким образом электромагнитная волна формируется вблизи антенны (между полями E и H нет сдвига фазы - теорема Пойнтинга), а не в дальней зоне, в нескольких длинах волн от антенны, что присуще длинным дипольным проволочным антеннам. В результате проведения экспериментов на макетах плоских емкостных антенн в течении ряда лет, и сравнения их параметров с проволочными дипольными антеннами, была доказана их практическая работоспособность и высокая эффективность в диапазонах от сотен килогерц, до сотен мегагерц.

Благодаря тому, что плоские емкостные антенны имеют сверхмалые габариты, и просты по конструкции, появилась возможность создания простых малогабаритных приемно-передающих антенн для диапазона СВ (длина волны 100-1000 метров), размером не более 3-10 метров. Для KB диапазона практически создано и испытано в условиях реального эфира, большое количество плоских емкостных антенн, с помощью которых проведены многие тысячи радиосвязей.

1. Плоская емкостная антенна, имеет две токопроводящие поверхности, разнесенные в пространстве и образующие емкостной элемент антенны, и катушку индуктивности, включенную последовательно с емкостным элементом, образующие в совокупности, колебательный контур, настроенный на резонансную частоту передаваемого или принимаемого электромагнитного сигнала, отличающаяся тем, что токопроводящие поверхности выполнены в виде плоскостей, с возможностью поворота одной из токопроводящих плоскостей на угол от 0 до 90° по отношению к другой плоскости, при этом, в любом случае, площадь токопроводящей поверхности, той, которая не вращается, была бы не меньше площади токопроводящей поверхности, той, которая вращается, а размеры антенны, должны быть в среднем в 20-30 раз меньше длины волны.

2. Плоская емкостная антенна по п.1, отличающаяся тем, что токопроводящие поверхности, разнесенные в пространстве, устанавливаются на изолирующие подставки.

3. Плоская емкостная антенна по п.1, отличающаяся тем, что плоские токопроводящие поверхности, разнесенные в пространстве, располагаются в одной плоскости на не токопроводящем основании, например на стеклотекстолите.

4. Плоская емкостная антенна по п.1, отличающаяся тем, что катушка индуктивности выполнена также плоской (печатной) и располагается на одном основании с антенной.