Teoria delle onde radio: antenne. Antenna a radiazione laterale cilindrica ad alta frequenza con antenna a canale d'onda a scansione circolare

07.06.2024Intestazione: Windows 7, XP

Offriamo una versione semplice dell'antenna KB J dual-band, testata sulle bande 21 e 28 MHz. Gli autori desideravano da tempo testare praticamente un'antenna del genere in funzione. Victor, UA6G, si è occupato dello sviluppo e dell'implementazione del progetto meccanico, mentre Vladimir, UA6HGW, ha effettuato i calcoli necessari e configurato l'antenna.

Nelle bande HF e VHF sono ampiamente utilizzate varie antenne a stilo verticale. Inoltre, vengono spesso utilizzati vibratori verticali a quarto d'onda con sistemi di contrappesi o “terra artificiale”, grazie ai quali funzionano queste antenne, essendo, in linea di principio, analoghi di un vibratore a semionda. Purtroppo, Non è così facile implementare un sistema di alta qualità di “terra artificiale” o contrappesi e un sistema di bassa qualità riduce drasticamente l'efficienza dell'antenna nel suo insieme. Tuttavia, le antenne Ground Plane sono molto popolari tra i radioamatori. Allo stesso tempo, molti prestano attenzione solo alle prestazioni di alta qualità dell'emettitore a quarto d'onda stesso e, a causa della mancanza di spazio per ospitare un sistema di messa a terra a tutti gli effetti, spesso non prestano attenzione alla "terra", utilizzando vari sistemi surrogati di contrappesi o messa a terra. È necessario prenotare che nella gamma VHF praticamente non esiste un problema del genere, perché La base dell'antenna e i contrappesi possono essere sollevati ad un'altezza sufficiente per ospitare un sistema progettato per funzionare anche sulle lunghezze d'onda più lunghe del metro.

Se l'area per posizionare antenne di altro tipo non è sufficiente, per la sezione ad alta frequenza della gamma KB è meglio utilizzare un vibratore a semionda verticale, alimentato dall'estremità inferiore e installato senza smagliature. Per abbinare la sua elevata resistenza con la bassa resistenza dell'alimentatore, vengono utilizzati vari dispositivi di adattamento, sia risonanti che a banda larga. Uno dei metodi di adattamento più famosi e semplici è l'utilizzo di un trasformatore di impedenza a quarto d'onda. Inoltre, esistono due metodi di alimentazione utilizzando un trasformatore di questo tipo: seriale e parallelo.

Con alimentazione sequenziale Viene utilizzata una linea a quarto d'onda, che può essere realizzata sotto forma di linea aerea o di linea con dielettrico solido. Molto spesso, per questo vengono utilizzate linee simmetriche. Lo svantaggio di questo metodo di alimentazione è la necessità di installare un isolante all'estremità inferiore del vibratore, che nelle gamme KB causa difficoltà di progettazione e riduce l'affidabilità del progetto.

Con alimentazione parallela L'estremità inferiore della linea del trasformatore, che a volte viene chiamata loop, può essere cortocircuitata con un vibratore e messa a terra, il che è strutturalmente più conveniente, perché elimina la necessità di utilizzare un ingombrante supporto isolante. In questo caso, i punti di connessione dell'alimentatore vengono scelti più in alto, ad una distanza precalcolata dall'estremità inferiore della linea, che viene poi specificata nel processo di sintonizzazione dell'antenna su un SWR minimo. Ciò rende un po' più difficile la sintonizzazione dell'antenna e restringe la banda di frequenza operativa e richiede anche l'uso di misure aggiuntive per ridurre l'effetto dell'antenna dell'alimentatore.

In entrambi i casi l'impedenza caratteristica della linea del trasformatore a quarto d'onda deve essere calcolata correttamente e uguale per tutta la sua lunghezza. Questo design è spesso chiamato la classica antenna J. La lunghezza del suo elemento verticale principale - l'emettitore più la linea - è 3/4Lamda*K,
Dove A- coefficiente di accorciamento, dipendente dalla configurazione e dalle dimensioni trasversali di tali elementi.

L'esperienza ha dimostrato che queste dimensioni possono essere diverse per le diverse sezioni dell'emettitore e della linea.

I radioamatori utilizzano molto spesso antenne J nella banda VHF e nella parte ad alta frequenza della banda HF, dove i loro progetti, pur possedendo la forza necessaria, non sono troppo complessi e ingombranti.

L'elemento verticale principale 1 (Fig. 1) - un palo messo a terra, che funge anche da radiatore, è costituito da tre tubi di acciaio di diverso diametro, collegati secondo il principio telescopico. Il diametro dei tubi dei collegamenti è stato selezionato con precisione in modo che si adattino perfettamente l'uno all'altro. La lunghezza dei tubi è stata scelta in modo tale che l'estremità di uno si estendesse nell'altro a una distanza sufficiente affinché l'intera struttura dell'antenna potesse reggere saldamente e non oscillare senza smagliature. Pertanto, è difficile indicare la lunghezza esatta dell'intero elemento verticale nell'assieme, ma, secondo i nostri calcoli, risultava essere di almeno 12 m. Il tubo inferiore - la base dell'antenna con una lunghezza di circa 5 m e un diametro esterno di 90 mm - è stato installato a livello del suolo su una base di cemento all'interno di una piccola stanza e fuoriesce attraverso un foro nel tetto piano in cemento armato 6, che è collegato elettricamente al circuito di terra. Dopo aver assemblato il sistema, i tubi sono stati fissati ai giunti mediante due viti e dadi di diametro 10 mm. I dadi sono stati saldati saldamente in anticipo alla superficie esterna all'estremità dei tubi su un piano perpendicolare al piano di posizione degli elementi corrispondenti 2. Le viti 7 sono state avvitate nei dadi, bloccando la base del tubo del collegamento successivo.

Gli elementi delle 2 linee aeree abbinate sono costituiti da un tubo di acciaio del diametro di 0,5 pollici per la banda dei 21 MHz e da un'asta zincata del diametro di circa 8 mm per i 28 MHz. Dato che l'elemento 1 e gli elementi 2 dovevano essere realizzati con diametri diversi, il calcolo preliminare delle dimensioni dei gocciolatori e delle linee aeree ha causato qualche difficoltà, poiché con un tale progetto, i coefficienti di accorciamento K saranno diversi non solo per diversi intervalli in base alla frequenza, ma anche a causa di una modifica nel rapporto tra i diametri dei tubi. Per questo motivo per il calcolo sono state scelte diverse formule pratiche approssimative. Sono mostrati nella Tabella 1 insieme ai risultati del calcolo.

A nostro avviso, in questi casi, è meglio indicare la distanza D dell'intercapedine d'aria tra gli elementi 1 e 2, inferiore alla quale non deve essere realizzata. La distanza C è preliminarmente considerata pari a 0,03 Lamda. La pratica ha dimostrato che il valore esatto può essere determinato solo dopo aver sintonizzato un'antenna specifica sulle frequenze selezionate.

Il progetto iniziale dell'antenna è stato realizzato per funzionare nella sezione telegrafica della gamma 21 MHz. Abbiamo scelto tutte le dimensioni per la realizzazione pratica del progetto sulla base di un compromesso tra possibilità reali e calcoli, che potrebbero essere corretti verificando con il programma MMANA-GAL. Per garantire un contatto elettrico affidabile, dall'estremità superiore dell'albero a quella inferiore, nel piano degli elementi corrispondenti, sono stati posati due conduttori di rame del cavo dell'antenna, che sono stati inoltre fissati a ciascun collegamento mediante normali morsetti piatti, serrati con viti e noccioline. Per non caricare, la figura 1 mostra convenzionalmente solo uno dei cavi 3. Si consiglia inoltre di collegare ulteriori conduttori di rame dal cavo dell'antenna o dal filo di rame unipolare ai tubi di linea corrispondenti. Nella scelta di tali soluzioni progettuali, è stata presa in considerazione la "propensione" di alcuni cittadini a "cacciare" i metalli non ferrosi, quindi la maggior parte degli elementi principali erano realizzati in acciaio. Va tenuto presente che quando si utilizzano metalli diversi, può verificarsi corrosione e, di conseguenza, un aumento del rumore durante la ricezione. Pertanto, è consigliabile utilizzare metalli situati nella serie galvanica il più vicino possibile tra loro, oppure ricorrere a misure aggiuntive (ad esempio, stagnatura dei conduttori di rame con saldatura piombo-stagno e miglioramento dei contatti mediante saldatura). Ciò vale anche per i piccoli elementi utilizzati nelle strutture: bulloni, rondelle, dadi, ecc.

La tabella 2 mostra parte della gamma galvanica dei metalli più comunemente utilizzati.

Un'altra caratteristica progettuale è che gli elementi delle linee di abbinamento dovevano essere costituiti da un tubo d'acciaio e un'asta di diametro inferiore a quello del vibratore, cioè non come raccomandato in letteratura. Pertanto è stata scelta come compromesso la distanza tra il vibratore e gli elementi verticali 2 corrispondenti, risultando leggermente inferiore a quella calcolata utilizzando il programma MMANA. Ciò ha sollevato qualche dubbio sulla possibilità di ottenere un buon abbinamento con il cavo di alimentazione. Nelle linee sono installati molti altri elementi importanti, che non sono mostrati in Fig. 1, per non caricarla. Si tratta di piastre installate per rafforzare e fissare il traferro tra il vibratore e le linee di accoppiamento. Devono essere costituiti da un materiale isolante con buone proprietà isolanti alle alte frequenze, che non le perda sotto l'influenza dell'umidità (ad esempio fibra di vetro o plexiglass, più pezzi per l'elemento 2 di ciascuna gamma). Inoltre le piastre inferiori possono essere abbinate direttamente ai morsetti 5, mentre quelle superiori possono essere installate più vicino alle estremità delle linee. La loro posizione può essere cambiata durante la regolazione fissando le fascette metalliche sui tubi con viti. Utilizzando i morsetti 5 è possibile regolare i punti di connessione del cavo, il cui nucleo centrale e la treccia devono essere collegati saldamente ad essi, preferibilmente mediante saldatura. Per facilitare il processo di regolazione, sui collegamenti corrispondenti sono installati anche morsetti mobili 4, con l'aiuto dei quali è possibile selezionare l'intera lunghezza di lavoro del vibratore dell'antenna e la lunghezza degli elementi corrispondenti. Dopo la configurazione finale è consigliabile collegarli con ulteriori conduttori in rame 3.

La questione della scelta sollevava dubbi l'opzione migliore per collegare l'anima centrale del cavo e la treccia. È difficile trovare una risposta specifica in letteratura, perché... Ci sono varie opzioni, ad es. collegamento ad elementi corrispondenti o al vibratore principale, più spesso utilizzato nella gamma VHF. Sorprendentemente, in pratica si è scoperto che in questo caso un buon adattamento può essere ottenuto solo collegando il nucleo centrale agli elementi 2 e la treccia al vibratore 1.

Il processo di pre-sintonizzazione dell'antenna si è rivelato difficile, ma alla fine ha avuto successo. La configurazione è stata eseguita utilizzando il dispositivo MFJ259. Quindi i suoi risultati sono stati corretti in base alle letture del misuratore SWR già con una potenza di trasmissione sufficiente e, infine, a piena potenza in diverse parti delle gamme.

Poiché l'antenna utilizza un'alimentazione parallela, sono comparsi tutti i suoi difetti. All'interno dell'albero principale sono stati posati due cavi di alimentazione da 50 ohm 8 grado RK50-9-12, per i quali è stato necessario realizzare 4 fori del diametro richiesto. Ciò si è rivelato insufficiente e all'uscita dall'albero i cavi in eccesso hanno dovuto essere arrotolati in due bobine separate, il che ha permesso di ridurre l'effetto dell'antenna. Il passaggio dell'antenna da una banda all'altra è stato effettuato senza interruttori, utilizzando connettori, il che non esclude l'uso di speciali interruttori coassiali, meccanici o su relè coassiali.

L'antenna è stata inizialmente prodotta e sintonizzata sulla sezione telegrafica della gamma 21 MHz. Come ha dimostrato la pratica, è necessario prima selezionare la lunghezza del vibratore A1 e della linea B1, regolandoli sulla frequenza di risonanza richiesta utilizzando un ponticello mobile 4, che è fissato con viti e dadi. È meglio farlo utilizzando un indicatore di risonanza (RI) o un analizzatore di antenna (ad esempio, MFJ259), se dispone di elementi aggiuntivi speciali che consentono al dispositivo di comunicare con l'antenna senza connettersi ad essa. Quindi devi prima selezionare la distanza C1 - cioè luogo dove è collegato il cavo al minimo SWR alla frequenza selezionata, regolandolo con i morsetti 5, e regolare l'impostazione in modo più accurato, ripetendo più volte tutte le regolazioni specificate.

Dopo aver testato l'antenna su questa banda ed esserci assicurati che fosse sufficientemente efficace, abbiamo aggiunto elementi corrispondenti per la banda dei 28 MHz e sintonizzato il sistema su questa banda nello stesso modo. Dopo aver impostato l'antenna per questa portata, ho dovuto regolare leggermente l'adattamento a 21 MHz e poi ricontrollare l'impostazione a 28 MHz. Durante il processo di adeguamento, è stato necessario ripetere più volte gli aggiustamenti su diversi intervalli. Anche durante il lavoro pratico sulla banda dei 28 MHz siamo stati più volte convinti dell'elevata efficienza dell'antenna, perché con bassa potenza, è stato possibile condurre con successo comunicazioni radio con corrispondenti sia vicini che lontani.

Le Figure 2 e 3 mostrano la dipendenza dell'SWR dalla frequenza, ottenuta come risultato delle impostazioni per le gamme 21 e 28 MHz, e le Figure 4 e 5 mostrano i modelli di radiazione ottenuti secondo i calcoli per le varianti ottimali dell'antenna J utilizzando il programma MMANA.

È da notare che il buon funzionamento dell'antenna è stato probabilmente facilitato dal fatto che non vi erano corpi estranei più alti a notevole distanza, poiché a volte il suo buon lavoro è stato addirittura sorprendente in quanto i corrispondenti a lunga distanza hanno fornito valori di segnale più elevati rispetto alle stazioni che operano vicino alla nostra località e utilizzano antenne direzionali e trasmettitori più potenti.

Un progetto simile, a nostro avviso, può essere proposto per altre bande HF ad alta frequenza ricalcolando l'antenna. Probabilmente è possibile aggiungervi un collegamento superiore, progettato per funzionare a 144 MHz. Nella pratica ci sono esempi di tali antenne J combinate.

Durante l'utilizzo dell'antenna su un ricetrasmettitore con una potenza non superiore a 100 W, è stato possibile effettuare un gran numero di comunicazioni radio a lunga distanza. Ciò ha confermato che non solo trasmette in modo efficiente, ma fornisce anche una buona ricezione a lungo raggio con basse interferenze. Il design si è rivelato robusto e affidabile: l'antenna è rimasta in piedi per più di 5 anni e, nonostante le condizioni meteorologiche molto difficili e in forte cambiamento nella nostra regione, ha resistito bene a tutti i test.

L'invenzione riguarda le antenne. Viene rivendicata un'antenna induttiva, formata da almeno due coppie di segmenti, geometricamente uniti tra loro, ciascuno dei quali contiene un primo ed un secondo conduttore paralleli, isolati tra loro, e le citate coppie appartengono al primo tipo, in cui i conduttori vengono interrotti nei loro punti centrali, formando due segmenti, il primo (rispettivamente secondo) conduttore di un segmento essendo collegato al secondo (rispettivamente primo) conduttore dell'altro segmento della coppia, o il secondo tipo in cui il primo conduttore è interrotto approssimativamente nel suo punto medio, formando due segmenti, e il secondo conduttore non è interrotto. Il risultato tecnico è quello di fornire una grande antenna induttiva adatta alle trasmissioni nella gamma di frequenze da un MHz a diverse centinaia di MHz. 2 n. e 10 di stipendio volo, 11 ill.

Campo della tecnologia a cui si riferisce l'invenzione

La presente invenzione riguarda in generale le antenne ed in particolare la realizzazione di un'antenna induttiva per alta frequenza.

L'invenzione si applica in particolare ad antenne destinate a trasmissioni a frequenze radio dell'ordine di diversi MHz, ad esempio per sistemi di comunicazione basati su carte con chip senza contatto, tag radio o transponder elettromagnetici.

All'avanguardia

La figura 1 mostra molto schematicamente un esempio di sistema di accoppiamento induttivo come quello a cui si applica, a titolo esemplificativo, la presente invenzione.

Un tale sistema contiene un dispositivo di lettura o stazione base 1 che genera un campo elettromagnetico che può essere registrato da uno o più transponder 2 situati in questo campo. Tali transponder 2 sono, ad esempio, un tag elettronico 2" installato su un oggetto a scopo identificativo, una smart card contactless 2" o, più in generale, un qualsiasi transponder elettromagnetico (indicato con il blocco 2 in Fig. 1).

Sul lato lettore 1, un circuito risonante in serie è formato da un resistore r, un condensatore C1 e un elemento induttivo L1 o antenna. Questo circuito è pilotato da un oscillatore ad alta frequenza (HF) 12 controllato (connessione 14) da altri circuiti, non mostrati, della stazione base 1. La portante ad alta frequenza è generalmente modulata (ampiezza e/o fase) per trasmettere dati alla transponder.

Dalla parte del transponder 2, un circuito risonante, generalmente parallelo, contiene un elemento induttivo o antenna L2 collegato in parallelo con un condensatore C2 e con un carico R che rappresenta i circuiti elettronici 22 del transponder 2. Questo circuito risonante, essendo in il campo del dispositivo di lettura, registra un segnale ad alta frequenza, trasmesso dalla stazione base. Nel caso di carta contactless, tali circuiti, indicati dal blocco 22, contenenti uno o più chip, sono collegati ad un'antenna L2 generalmente supportata dal supporto della carta. Nel caso della tessera elettronica da 2", l'elemento induttivo L2 è formato da un avvolgimento conduttivo collegato al chip elettronico 22.

Sebbene sia comune la rappresentazione simbolica sotto forma di un circuito risonante in serie dal lato della stazione base e un circuito risonante parallelo dal lato del transponder, in pratica si possono trovare circuiti risonanti in serie dal lato del transponder e circuiti risonanti paralleli dal lato della stazione base. .

I circuiti risonanti del lettore e del transponder, in generale, sono sintonizzati sulla stessa frequenza di risonanza ω (L1.C1.ω 2 =L2.C2.ω 2 =1).

I transponder, in generale, non hanno fonti di alimentazione indipendenti ed estraggono l'energia necessaria per il loro funzionamento dal campo magnetico generato dalla stazione base 1.

In un'altra applicazione esemplificativa, una stazione base viene utilizzata per caricare una batteria o un altro elemento di accumulo di energia di un transponder. In questo caso, il campo ad alta frequenza emesso dalla stazione base non necessita di essere modulato per trasmettere i dati.

In un'antenna induttiva, il circuito conduttivo è molto spesso un circuito chiuso che trasporta corrente per generare un campo magnetico a radiofrequenza. Il circuito conduttivo chiuso riceve energia dal generatore di radiofrequenza 12.

Quando la dimensione dell'antenna diventa significativa rispetto alla lunghezza d'onda, la circolazione della corrente destinata a generare un campo magnetico attraverso il conduttore diventa difficoltosa. L'ampiezza e la fase della corrente subiscono grandi cambiamenti lungo il circuito, facendo sì che l'antenna non funzioni più nel circuito induttivo. Spesso è anche desiderabile avere un'antenna grande sul lato della stazione base rispetto alla dimensione dell'antenna del transponder. Infatti, i transponder sono generalmente in movimento (supportati dall'utente) quando vengono presentati ad una stazione base, ed è auspicabile che possano registrare il campo anche mentre si muovono. In altri casi è desiderabile che la dimensione dell'area in cui è possibile la comunicazione con il transponder sia ampia. D'altro canto, è utile utilizzare un circuito induttivo di grandi dimensioni per garantire un lungo raggio di comunicazione.

Quanto più lungo è il circuito conduttivo di un'antenna induttiva, tanto più la corrente circolante lungo il circuito differisce da quella desiderata. Pertanto, si verifica un cambiamento significativo nell'ampiezza e nella fase della corrente lungo il circuito, che modifica e interrompe la distribuzione spaziale del campo magnetico generato. Si verifica anche un aumento dei potenziali elettrici tra le diverse sezioni del circuito conduttivo, facendo sì che il comportamento dell'antenna diventi sensibile alla presenza di materiali dielettrici nelle sue immediate vicinanze.

Pertanto, la lunghezza del circuito induttivo è tradizionalmente limitata.

In precedenza, è stato proposto di dividere la spira conduttiva in elementi, ciascuno avente la stessa lunghezza, e di ricollegare tali elementi ai condensatori per consentire l'utilizzo di una spira più grande. Una tale soluzione è descritta ad esempio nel brevetto US 5258766.

In precedenza era stato proposto l'utilizzo di spire induttive schermate con interruzione della schermatura e inversione dei conduttori. Tali anelli sono generalmente chiamati "anelli di Moebius". Tali strutture sono descritte, ad esempio, nel documento di P. H. Duncan "Analysis of the Moebius Loop Magnetic Field Sensor", pubblicato nella IEEE Transaction on Electromagnetic Compatibility, maggio 1974. Tuttavia, tali strutture hanno ancora una lunghezza limitata.

Pertanto, è necessario formare una grande antenna induttiva.

Divulgazione dell'invenzione

Lo scopo di una forma di realizzazione della presente invenzione è quello di fornire un'antenna induttiva che possa superare completamente o parzialmente gli inconvenienti delle antenne convenzionali.

Un altro scopo di una forma di realizzazione della presente invenzione è quello di fornire un'antenna che sia particolarmente adatta alle trasmissioni nell'intervallo di frequenze da un MHz a diverse centinaia di MHz.

Un altro scopo di una forma di realizzazione della presente invenzione è quello di fornire un'antenna induttiva di grandi dimensioni (inseribile in una superficie almeno dieci volte più grande) rispetto alle antenne dei transponder con cui dovrà cooperare.

Un altro scopo di una forma di realizzazione della presente invenzione è quello di fornire una struttura di antenna che sia compatibile con varie disposizioni.

Per risolvere tutti o alcuni di questi ed altri scopi, la presente invenzione fornisce un'antenna induttiva formata da almeno due coppie di sezioni geometricamente allineate, ciascuna delle quali contiene un primo ed un secondo elemento conduttivo paralleli isolati tra loro, ciascuna coppia contenente ad ogni estremità un terminale della connessione elettrica del suo primo elemento conduttore con l'elemento conduttore di una coppia adiacente, in cui dette coppie possono riferirsi a:

al primo tipo, dove gli elementi conduttori si interrompono circa a metà, formando due sezioni, ed il primo, rispettivamente, il secondo elemento conduttivo della sezione è collegato al secondo, rispettivamente, il primo elemento conduttivo dell'altra sezione della coppia; O

al secondo tipo, dove il primo elemento conduttivo è interrotto circa a metà, formando due tratti, ed il secondo elemento conduttivo non è interrotto.

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, le sezioni conduttrici sono longitudinalmente lineari, con l'antenna che forma un anello avente qualsiasi tipo di geometria spaziale.

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, le corrispondenti lunghezze degli elementi conduttori sono selezionate in base alla frequenza di risonanza dell'antenna.

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, le lunghezze corrispondenti degli elementi conduttori sono selezionate in base alla capacità lineare tra il primo e il secondo elemento conduttivo.

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, almeno un elemento capacitivo collega secondi elementi conduttivi di coppie adiacenti o primo e secondo elemento conduttivo della stessa coppia.

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, almeno un elemento resistivo collega secondi elementi conduttivi di coppie adiacenti o primo e secondo elemento conduttivo della stessa coppia.

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, ciascuna sezione è una sezione di cavo coassiale.

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, le sezioni sono formate da elementi conduttori ritorti.

La presente invenzione fornisce inoltre un sistema per generare un campo ad alta frequenza, comprendente:

antenna induttiva; E

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detto circuito di eccitazione comprende un trasformatore ad alta frequenza, il cui avvolgimento secondario è posto tra i primi elementi conduttivi di due coppie di antenne adiacenti.

Breve descrizione dei disegni

I suddetti e altri scopi, caratteristiche e vantaggi della presente invenzione saranno discussi in dettaglio nella seguente descrizione non limitativa di forme di realizzazione specifiche prese insieme ai disegni allegati, in cui:

La FIGURA 1, descritta in precedenza, mostra schematicamente in forma di blocco un esempio di un sistema di comunicazione a radiofrequenza a cui è applicata la presente invenzione;

la figura 2 è una rappresentazione semplificata di una forma di realizzazione di un'antenna induttiva secondo l'invenzione;

La FIG. 3 mostra una forma di realizzazione di una coppia di sezioni del primo tipo di antenna mostrata in FIG.

la FIGURA 4 è una rappresentazione semplificata di un'altra forma di realizzazione di un'antenna induttiva secondo l'invenzione;

la figura 5 mostra uno schema circuitale di una forma di realizzazione di un primo tipo di coppia di sezioni di antenna;

La FIG. 5A mostra il circuito elettrico equivalente della coppia mostrata in FIG.

la figura 6 mostra uno schema circuitale di una forma di realizzazione di un secondo tipo di coppia di sezioni di antenna;

La FIG. 6A mostra il circuito elettrico equivalente della coppia mostrata in FIG.

la figura 7 mostra una forma di realizzazione di un'antenna induttiva e di circuiti di pilotaggio e sintonizzazione;

Le FIGURE 8A e 8B mostrano altre due forme di realizzazione di una coppia di profilati del primo tipo; E

La figura 9 mostra un'altra forma di realizzazione di una coppia di profilati del secondo tipo.

Realizzare l'invenzione

Elementi identici sono indicati con gli stessi numeri di riferimento in diversi disegni non in scala. Per chiarezza vengono mostrati e descritti solo gli elementi utili alla comprensione della presente invenzione. In particolare, i circuiti di pilotaggio dell'antenna induttiva non sono descritti in dettaglio, e l'invenzione è compatibile con i segnali di pilotaggio attualmente utilizzati per questo tipo di antenne. Inoltre, anche i transponder per i quali sono progettate le antenne per la generazione di campo da descrivere non sono descritti in dettaglio, e l'invenzione è compatibile con diversi transponder moderni, carte di prossimità, etichette RFID, ecc.

La FIGURA 2 è una vista semplificata di un'antenna secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.

Questa forma di realizzazione prevede la giunzione di più sezioni di cavo coassiale 32 e 34. Tali tratti sono assemblati in coppie 3, in ciascuna delle quali due tratti 32 e 34 sono collegati per formare una connessione di tipo Möbius, cioè l'anima 324 della prima sezione è collegata alla treccia 342 della seconda sezione nella coppia, e la treccia 322 è collegato al nucleo 344 di quella seconda sezione.

Nell'esempio preferito mostrato in Fig. 2, sono unite quattro coppie di 3 sezioni. Il collegamento elettrico 4 tra due coppie adiacenti è realizzato da un unico elemento conduttore. Nell'esempio mostrato in FIG. 2, il collegamento 4 tra due coppie adiacenti è realizzato dalle rispettive trecce delle sezioni contrapposte delle due coppie. L'altro elemento conduttivo non è collegato, cioè nell'esempio mostrato in Fig. 2 i nuclei di due coppie adiacenti non sono collegati.

Sembra più semplice effettuare una selezione uniforme per tutte le sezioni, in modo che tutti i primi conduttori corrispondano alla treccia o al nucleo di tutte le sezioni. In questo contesto verrà utilizzato un tipo di elemento conduttivo, treccia o nucleo, per collegare le coppie dell'intera antenna. La treccia è preferita perché la sua scelta fornisce una migliore schermatura elettrica. In alternativa, si può proporre di prevedere le connessioni 4 attraverso i corrispondenti nuclei di coppie contrapposte. Resta comunque possibile fare scelte diverse circa l'assegnazione del primo e del secondo conduttore tra il primo tratto e il secondo tratto della stessa coppia, ad esempio selezionando la treccia come primo conduttore per il primo tratto e il nucleo come primo direttore della seconda sezione. Pertanto, secondo un'altra forma di realizzazione, si può proporre di prevedere collegamenti 4 tra due coppie adiacenti dal nucleo alla treccia o viceversa.

La figura 3 mostra una rappresentazione semplificata di una coppia 3 di due sezioni di antenna 32 e 34 mostrate in figura 2, corrispondenti ad un primo tipo di coppia di sezioni. Al livello di connessione centrale 36, il nucleo conduttivo 324 della sezione 32 è collegato alla treccia (o schermatura) 342 della sezione 34, e la treccia 322 della sezione 32 è collegata al nucleo 344 della sezione 34.

La figura 4 mostra una rappresentazione semplificata di un'altra forma di realizzazione dell'antenna.

Due coppie 3 di tratti 32 e 34 del primo tipo (con collegamento centrale a croce - Fig. 3) sono collegate alternativamente a due coppie 5 di tratti 52 e 54 del cavo coassiale, e il collegamento centrale di 56 tratti è diverso. In queste coppie 5 di secondo tipo, i tratti 52 e 54 sono collegati dai rispettivi nuclei 524 e 544, mentre le loro trecce 522 e 542 non sono collegate. I collegamenti elettrici di testa delle coppie sono comunque garantiti collegando 4 trecce con conduttori non collegati.

La distribuzione e il numero di coppie dei due tipi possono variare. Tuttavia, sono preferibili le coppie del primo tipo.

La Fig. 5 mostra un circuito elettrico di un primo tipo di coppia di 3 sezioni.

La FIG. 5A mostra il circuito elettrico equivalente della coppia mostrata in FIG.

La coppia 3 delle sezioni 32 e 34 contiene due terminali 42 e 44 che si collegano a coppie adiacenti. Il terminale 42 è collegato al primo elemento conduttivo 322 della sezione 32, il quale, all'altra sua estremità, è collegato tramite un collegamento trasversale 36 al secondo elemento conduttivo 344 della sezione 34 avente un'estremità libera non collegata 3441 (sul lato lato del terminale 44). Il secondo elemento conduttivo 324 della sezione 32 ha un'estremità libera 3241 (dal lato del terminale 42) e l'altra estremità collegata tramite una connessione 36 alla prima sezione conduttiva 342 della sezione 34, la cui altra estremità è collegata al terminale 44.

Il circuito elettrico equivalente di tale coppia è mostrato in FIG. 5A e prevede un collegamento elettrico in serie di un'induttanza di grandezza L0 e un condensatore di grandezza C0, dove L0 indica l'induttanza corrispondente all'insieme delle sezioni conduttrici 322 e 342 considerate come stesso conduttore ai fini del calcolo di questa quantità, e dove C0 indica tutte le capacità interne, tra il nucleo e la treccia nel caso di un cavo coassiale - tra due conduttori (tra i conduttori 322 e 324 e tra i conduttori 342 e 344) in il caso di altre forme di realizzazione. Secondo quanto sopra descritto, le mutue induttanze tra un insieme di sezioni 322 e 342 (considerate come conduttore per il calcolo) e insiemi di sezioni equivalenti a sezioni 322 e 342 di altre coppie (considerate anch'esse come conduttore per il calcolo) sono trascurabili. A causa della formazione sotto forma di anelli, le diverse coppie sono sufficientemente distanti l'una dall'altra, il che consente di trascurare le mutue induttanze rispetto al valore di L0, ad esempio, discusso sopra.

Trascurando le perdite ohmiche nei conduttori e le perdite dielettriche tra i conduttori, l'impedenza di una coppia di sezioni in questa forma di realizzazione può essere espressa come Z=jL0ω+1/jC0ω.

La figura 6 mostra il circuito elettrico del secondo tipo di coppia di 5 sezioni.

La FIG. 6A mostra il circuito elettrico equivalente della coppia mostrata in FIG.

In una coppia 5 di sezioni 52 e 54, il primo conduttore 522 della prima sezione 52 è collegato al primo terminale di accesso 42 e la sua altra estremità 5222 rimane scollegata. Il primo elemento conduttivo 542 della seconda sezione 54 rimane sul lato della sezione 52 disconnesso (estremità 5422) e all'altra sua estremità è collegato al terminale di accesso 44 della coppia 5. Il secondo conduttore 524 della prima sezione 52 è collegato mediante collegamento reciproco 56 al secondo conduttore 544 della seconda sezione 54. Le estremità 5241 e 5441 delle sezioni 524 e 544 rimangono disabilitate.

Da un punto di vista elettrico e secondo la Fig. 6A, assumendo che i conduttori delle coppie 3 e 5 abbiano la stessa lunghezza, la coppia 5 prevede un collegamento in serie di un elemento induttivo di classe L0 con un elemento capacitivo di classe C0/4, dove L0 indica l'induttanza corrispondente alla combinazione delle sezioni 522 e 542 del conduttore, e C0 indica tutte le capacità interne (tra i conduttori 522 e 524 e tra i conduttori 542 e 544).

L'impedenza di una coppia di sezioni in questa forma di realizzazione può essere espressa come Z=jL0ω+1/j(C0/4)ω.

Dal punto di vista elettrico due coppie di tratti 3 collegati in serie equivalgono ad una coppia di tratti 5 di lunghezza doppia.

Le lunghezze verranno adeguate alla frequenza operativa dell'antenna, in modo che ogni coppia di tratti rispetti la sintonia, cioè LCω 2 =1. Si può notare che a seconda della distribuzione delle tipologie di coppie tra le coppie 3 e 5 possono variare le lunghezze degli elementi conduttori ed il valore della capacità lineare tra i due conduttori della sezione. I valori degli elementi capacitivi non sono più trascurabili e l'antenna è meno sensibile ai disturbi dell'ambiente.

La realizzazione di un'antenna a più coppie di tratti come quelle rappresentate nelle FIGG. 5 e 6 consente di separare il circuito elettrico e non consente l'utilizzo di elementi induttivi troppo lunghi, dove la corrente che attraversa la spira induttiva non può avere ampiezza uniforme. e fase lungo l'intero circuito. Infatti collegare tra loro le coppie equivale a collegare in serie più circuiti risonanti con la stessa frequenza di risonanza. In questo caso viene rimossa la restrizione sulla lunghezza delle antenne induttive.

Non necessariamente le diverse coppie di tratti hanno le stesse lunghezze previste per ciascuna coppia per mantenere, magari interponendo tra loro un condensatore, collegato tra i due conduttori a livello di giunzione tra le coppie, un rapporto di risonanza.

La Figura 7 mostra una forma di realizzazione di un'antenna induttiva e di circuiti di pilotaggio e sintonizzazione. Qui l'antenna contiene tre coppie 3 del primo tipo.

Il circuito di eccitazione 18 è un trasformatore ad alta frequenza, il cui avvolgimento primario 182 riceve il segnale di eccitazione del generatore ad alta frequenza 12 (Fig. 1) e in cui i due terminali dell'avvolgimento secondario 184 sono collegati ai terminali 42 e 44 di due coppie adiacenti invece di collegarle tra loro 4. Pertanto, l'avvolgimento secondario forma questa connessione tra le due coppie. Il trasformatore è preferibilmente scelto per riportare sul lato secondario un'induttanza trascurabile alla frequenza operativa rispetto al valore di L0, come avviene, ad esempio, quando il coefficiente di accoppiamento è prossimo a 1.

Inoltre, il circuito di sintonia 16 collega le estremità libere 3241 e 3441 dei conduttori 324 e 344 delle due coppie, che risultano così collegate. Il circuito 16 nell'esempio mostrato in FIG. 7 è un circuito resistivo (resistore R4) e capacitivo (condensatore C4). La funzione del condensatore C4 è quella di regolare la frequenza di risonanza dell'antenna. La funzione del resistore R4 è quella di regolare il fattore di qualità Q dell'antenna su un valore selezionato, ad esempio, per regolare la larghezza di banda.

I condensatori possono essere posizionati tra coppie diverse, collegati tra elementi conduttori della stessa sezione, tra elementi conduttori lasciati sconnessi (in questo caso i nuclei dei tratti di cavo coassiale), e il punto di connessione 42 o 44 (in questo caso le trecce dei tratti di cavo coassiale), oppure tra i conduttori lasciati scollegati dei tratti interconnessi di ciascuna coppia, per ridurre la frequenza di risonanza.

La lunghezza dell'elemento conduttore 324 o 344 che rimane scollegato (in questo caso i nuclei) può anche essere ridotta per ridurre la capacità totale della sezione corrispondente per aumentare la frequenza di risonanza.

Analogamente, tra le estremità libere degli elementi conduttori tra due coppie possono essere collegati elementi resistivi per regolare e ridurre il fattore di qualità dell'antenna così formata. Al posto del collegamento reciproco 4 tra due coppie possono essere inseriti anche elementi resistivi per ridurre e regolare il fattore di qualità.

Non è necessario dare alle diverse sezioni una forma rettilinea. Secondo la Fig. 7, le sezioni possono essere disposte in varie disposizioni. Pertanto, l'antenna a circuito chiuso dell'invenzione può essere realizzata sotto forma di telaio, formare anelli, avere una forma rotonda, avere forme in tre dimensioni spaziali, ecc.

Nelle forme di realizzazione sopra descritte i circuiti di regolazione sono stati illustrati con un collegamento tra coppie. È da notare che, opzionalmente, nel caso di coppie del secondo tipo (5), tali circuiti possono essere inseriti nelle coppie di tratte stesse. In questo caso, un condensatore a innesto collega le due estremità libere non collegate degli elementi 522 e 542.

Possono anche essere inseriti elementi resistivi al posto dei collegamenti tra conduttori di due tratti della stessa coppia (primo tipo 3 e secondo tipo 5) in corrispondenza della giunzione 36 e 56 per ridurre il fattore di qualità.

Le FIGURE 8A, 8B e 9 mostrano coppie di sezioni conduttrici secondo un'altra forma di realizzazione della presente invenzione. Questa forma di realizzazione illustra che coppie di sezioni conduttrici possono essere formate attraverso conduttori ritorti piuttosto che attraverso sezioni coassiali.

Le FIGURE 8A e 8B mostrano due forme di realizzazione di una coppia di 3 sezioni del primo tipo.

Facendo riferimento alla FIG. 8A, due sezioni di filo intrecciato sono collegate tra loro in un modo simile a quello descritto in relazione a sezioni di cavo coassiale.

La FIGURA 8B mostra un'altra forma di realizzazione del collegamento incrociato di una coppia di sezioni, dove l'incrocio viene effettivamente ottenuto capovolgendo il conduttore a cui è collegato il conduttore di uscita (ad esempio, 44) rispetto al conduttore a cui è collegato il conduttore di ingresso (ad esempio, 44). , 42), e i tratti conduttivi non sono interrotti all'interno di una coppia.

La figura 9 mostra una forma di realizzazione di una coppia 5 di tratti 52 e 54 del secondo tipo formati da conduttori twistati.

Secondo un'altra forma di realizzazione, non illustrata, coppie di tratti sono formate da conduttori non twistati, schermati e non.

In un'altra forma di realizzazione, non illustrata, coppie di tratti sono formate da piste depositate su un substrato isolante.

Un'antenna, ad esempio, come sopra definita, può anche essere definita come comprendente almeno due sottoassiemi lineari longitudinali (3, 5, 3") geometricamente allineati, ciascuno dei quali contiene, a seconda della sua lunghezza, primi e secondi elementi conduttori paralleli isolati l'uno dall'altro, e a ciascuna estremità in connessione con il primo elemento conduttivo un terminale di connessione elettrica con un sottogruppo adiacente e un secondo conduttore non collegato elettricamente, in cui tutti o parte dei sottogruppi sono:

al primo tipo, dove ciascuno del primo e del secondo conduttore viene interrotto approssimativamente a metà e ricollegato ad un altro conduttore del sottoinsieme; O

al secondo tipo, dove il primo conduttore è interrotto approssimativamente a metà ed il secondo conduttore non è interrotto.

Secondo questa definizione, l'elemento conduttore nel caso di una connessione trasversale (figg. 3, 5 e 8A) è formato da due tratti, collegati elettricamente in serie, di fili conduttori (anime o trecce) diversi dal cavo utilizzato in in modo tale che ciascun terminale di connessione sia collegato al conduttore della stessa natura (treccia o anima) del nodo assemblato e non sia elettricamente collegato ad un altro terminale.

Secondo una specifica forma di realizzazione, le sezioni possono essere formate tagliando linee coassiali convenzionali. Attualmente ne esistono alcuni con impedenze caratteristiche di 50, 75 e 93 ohm, aventi corrispondenti valori di capacità lineare di 100 pF/m, 60 pF/m e 45 pF/m. Ad esempio, nel caso di un collegamento crossover per un cavo coassiale da 50 ohm, si possono ottenere induttanze L0 dell'ordine di un µH.

In un'altra forma di realizzazione specifica che utilizza conduttori schermati (intrecciati o meno), i cavi hanno una capacità lineare tra i conduttori nell'intervallo da circa 30 a 40 pF/m. Per tali cavi si possono ottenere ad esempio induttanze L0 di valore compreso tra circa 2 e 3 μH.

La FIG. 10 è una vista semplificata di un'antenna secondo un'altra forma di realizzazione. Come in altre forme di realizzazione, l'antenna contiene almeno due coppie (del primo tipo 3, Fig. 5, o del secondo tipo 5, Fig. 6) di tratti, ciascuno dei quali è formato da elementi conduttori paralleli isolati tra loro. Nell'esempio presentato in Fig. 10 si assume che si tratti di coppie di spezzoni di cavo coassiale. Questa struttura è terminata da un'ulteriore semicoppia formata da due elementi conduttori del primo tipo 32, 34 o del secondo tipo 52, 54. Invece di essere installata all'estremità dell'antenna, la semicoppia può essere installata tra le due coppie. La presenza di una mezza coppia aggiuntiva può essere utilizzata per regolare la lunghezza dell'antenna.

11 è mostrata una rappresentazione semplificata di una forma di realizzazione in cui due segmenti di cavo coassiale 61 e 63 sono disposti meccanicamente affiancati parallelamente tra loro e le loro trecce sono collegate elettricamente tra loro almeno due estremità per formare un unico primo elemento conduttivo (collegamento 67). I trefoli sono collegati elettricamente per formare un unico secondo elemento conduttivo (connessione 65 ad un'estremità). Ciascun elemento, come quello illustrato in FIG. 11, forma una sezione 32, 34, 52 o 54 della struttura dell'antenna. Il vantaggio del tratto formato dall'assemblaggio dei segmenti mostrato in Fig. 11 è quello di aumentare la capacità lineare del tratto compreso tra il primo elemento conduttivo ed il secondo elemento conduttivo. Ciò consente di ridurre la lunghezza della coppia richiesta per la stessa frequenza di risonanza e fornisce quindi ulteriore flessibilità per quanto riguarda la geometria dell'antenna.

Quando si formano antenne da sezioni coassiali, un ulteriore vantaggio deriva dalla capacità tra lo schermo e il nucleo conduttivo per formare sezioni induttive e capacitive che hanno una maggiore capacità (permettendo loro di essere rese più corte per la stessa frequenza), al contrario di un elemento metallico .

Un vantaggio delle forme di realizzazione descritte è che consentono di formare antenne di dimensioni maggiori per applicazioni a frequenze di risonanza superiori a un MHz (tipicamente tra 10 e 100 MHz). In questo modo è possibile realizzare antenne su portali, contatori, ecc., garantendo allo stesso tempo una circolazione uniforme di corrente lungo la spira per generare il campo desiderato.

Secondo una specifica forma di realizzazione, l'antenna atta ad operare alla frequenza di 13,56 MHz può essere realizzata sotto forma di un telaio rettangolare di circa 87 cm per 75 cm, formato da tre coppie di conduttori (triplo due sezioni) del primo tipo in la forma di un cavo coassiale da 50 ohm con capacità lineare di 100 pF/m (diametro della treccia 3,5 mm), distribuito in due coppie aventi configurazione a L con lunghezza assiale di 1,07 m (con induttanza L0 di circa 1,22 μH oppure 1,21 μH, tenendo conto della mutua induttanza) e una coppia avente configurazione a U con una lunghezza assiale di 1,08 m (con un'induttanza L0 di circa 1,20 µH o 1,19 µH, tenendo conto delle mutue induttanze). La frequenza di risonanza può essere regolata utilizzando un condensatore variabile.

Sono state descritte varie forme di realizzazione e vari cambiamenti e modifiche possono essere suggeriti dagli esperti del settore. In particolare, le dimensioni date alle sezioni conduttrici e agli elementi capacitivi dipendono dall'applicazione, ed il loro calcolo non esula dalle capacità dell'esperto del settore in base alle linee guida funzionali sopra riportate e alla frequenza di risonanza desiderata e alle dimensioni dell'antenna.

Reclamo

1. Un'antenna induttiva contenente almeno due coppie di tratti (32, 34; 52, 54) uniti geometricamente, ciascuno dei quali contiene il primo (322, 342; 522, 542) e il secondo (324, 344; 524, 544) elementi conduttori paralleli isolati l'uno dall'altro, ciascuna coppia comprendendo a ciascuna estremità un terminale di una connessione elettrica (42, 44) del suo primo elemento conduttivo con l'elemento conduttivo della coppia adiacente, in cui dette coppie possono includere:
al primo tipo (3), dove gli elementi conduttori sono interrotti a metà, formando due tratti, con il primo, rispettivamente secondo, elemento conduttore della sezione collegato al secondo, rispettivamente primo, elemento conduttore dell'altra sezione del coppia, o
al secondo tipo (5), dove il primo elemento conduttivo (522, 542) è interrotto al centro, formando due tratti, ed il secondo elemento conduttivo (524, 544) non è interrotto.

2. Antenna secondo la rivendicazione 1, in cui i tratti conduttori sono longitudinalmente lineari, e l'antenna forma una spira avente geometria spaziale qualsiasi.

3. L'antenna secondo uno qualsiasi dei paragrafi precedenti, in cui le corrispondenti lunghezze degli elementi conduttori (322, 324, 342, 344; 522, 524, 542, 544; 322", 324", 342", 344") vengono selezionati in base alla frequenza di risonanza dell'antenna.

4. Antenna secondo la rivendicazione 1, in cui le corrispondenti lunghezze degli elementi conduttori (322, 324, 342, 344; 522, 524, 542, 544; 322", 324", 342", 344") sono scelte in base alla capacità lineare tra il primo e il secondo elemento conduttivo.

5. Antenna secondo la rivendicazione 1, in cui almeno un elemento capacitivo (C4) collega i secondi elementi conduttori di coppie adiacenti oppure il primo e il secondo elemento conduttivo della stessa coppia.

6. Antenna secondo la rivendicazione 1, in cui almeno un elemento resistivo (R4) collega i secondi elementi conduttori di coppie adiacenti oppure il primo e il secondo elemento conduttivo della stessa coppia.

7. Antenna secondo la rivendicazione 1, in cui ciascun tratto (32, 34, 52, 54) è un tratto di cavo coassiale.

8. Antenna secondo la rivendicazione 1, in cui ciascuna sezione è formata da due segmenti (61, 63) di cavo coassiale.

9. Antenna secondo la rivendicazione 1, in cui i tratti (32, 34, 52, 54, 32", 34") sono formati da elementi conduttori ritorti.

10. Antenna secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre una semicoppia formata da una sezione di due elementi conduttori collegati ad almeno una coppia.

11. Sistema per la generazione di un campo ad alta frequenza, contenente
antenna induttiva secondo uno qualsiasi dei paragrafi precedenti e
circuito per eccitare l'antenna con un segnale ad alta frequenza.

12. Sistema secondo la rivendicazione 11, in cui detto circuito di eccitazione comprende un trasformatore di alta frequenza (18), il cui avvolgimento secondario è posto tra i primi elementi conduttori di due coppie di antenne adiacenti.

Titolari del brevetto RU 2566608: