Широкополосная приемная ферритовая антенна с комбинированным сердечником

Широкополосная приемная ферритовая антенна с комбинированным сердечником

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Устройство относится к радиоприемной технике и может быть использовано в области радиосвязи, радионавигации или радиопеленгации.

Широкополосные приемные магнитные антенны (МА) с ферритовыми сердечниками обладают рядом преимуществ перед антеннами электрического типа [См. Хомич В.И. Ферритовые антенны. Массовая радиобиблиотека, выпуск 721. - М.: Энергия, 1969. 96 с.; Вершков М.В. Расчет и проектирование судовых антенн радиосвязи. - Л.: Морской транспорт, 1963, 148 с.; Бобков A.M. Реальная избирательность радиоприемных трактов в сложной помеховой обстановке. - Санкт-Петербург, Абрис, 2001. - 216 с.]. В частности, благодаря ферритам, такие антенны имеют небольшие габариты, они менее восприимчивы к помехам от близлежащих источников помех, обеспечивают в KB диапазоне лучший прием крутопадающих волн коротких трасс вследствие отсутствия нуля диаграммы направленности в вертикальной плоскости и др. Данные антенны используются в основном для целей навигации и пеленгации, но в области радиосвязи они до сих пор не получили широкого распространения из-за трудности получения достаточно высокой чувствительности в широкой полосе частот. Низкая чувствительность МА связана в первую очередь с очень малой действующей высотой рамки с ферритом h_др, которая равна

где S_p - площадь рамки;

μ_д - действующая магнитная проницаемость ферритового сердечника;

λ - длина волны;

W - количество витков рамки.

Величина h_дp изменяется по диапазону с изменением частоты (длины волны) и минимальна на самой низкой частоте рабочего диапазона. При реальных размерах рамки в низкочастотной части KB диапазона h_дp составляет обычно всего несколько миллиметров. Увеличение количества витков W повышает h_дp, но приводит к росту индуктивности рамки и снижению чувствительности на верхней рабочей частоте МА. Применение ферритовых сердечников с высокой магнитной проницаемостью позволяет заметно улучшить чувствительность МА на низких частотах, однако, из-за существенного ухудшения электрических свойств таких ферритов на высоких частотах чувствительность МАА снижается, причем в основном из-за уменьшения магнитной проницаемости и резкого роста потерь в ферритах.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, - повышение чувствительности широкополосных магнитных антенн с ферритовым сердечником.

Известна ферритовая МА [см. Хомич В.И. Ферритовые антенны. Массовая радиобиблиотека, выпуск 721. - М.: Энергия, 1969. 96 с.; Вершков М.В. Расчет и проектирование судовых антенн радиосвязи. - Л.: Морской транспорт, 1963, 148 с.], в которой для повышения чувствительности используются несколько разнесенных по пространству одинаковых рамок с ферритовыми сердечниками, которые соединяются, например, последовательно. Благодаря сложению наведенных в рамках ЭДС сигналов, происходит пропорциональное увеличение h_дp и улучшение чувствительности на низких частотах. Однако с увеличением количества рамок пропорционально растут габариты антенны и увеличивается ее собственная индуктивность, которая приводит к снижению ее широкополосности.

Известна ферритовая МА [см. Хомич В.И. Ферритовые антенны. Массовая радиобиблиотека, выпуск 721. - М.: Энергия, 1969. 96 с.; авт. свид. СССР №253177, МКИ H 01 Q 11/12, 1973], в которой для уменьшения ее собственной индуктивности предлагается обмотку выполнять секциями, а между секциями включать конденсаторы. В результате образования подобия линии бегущей волны с волновым сопротивлением, согласованным с сопротивлением нагрузки происходит расширение рабочего диапазона антенны. Однако расчеты показывают, что из-за фазовых сдвигов в секциях и потерях в реальных ферритах верхняя граничная частота таких МА составляет порядка 5-8 МГц. По этой причине ее применение ограничено средневолновым диапазоном. Известны МА [Мамышев А.Ю., Павлов С.В. Широкополосная активная ферритовая антенна//Труды НИИР. - 1987. - №3; Павлов С.В. Широкополосная активная рамочная антенна с трансформаторной связью//Труды НИИР. - 1987. - №4, с.45-48; Заявка ФРГ №OS 3209345, МКИ H 01 Q 7/00, 1982], в которых для достижения равномерной действующей высоты в широкой полосе частот предлагается использовать усилители с низким входным сопротивлением, причем в антенне [см. Мамышев А.Ю., Павлов С.В. Широкополосная активная ферритовая антенна//Труды НИИР. - 1987. - №3] - за счет глубокой параллельной отрицательной обратной связи. Однако чувствительность таких МА невысока вследствие работы рамки в режиме генератора тока. В антенне по заявке ФРГ №OS 3209345 высокая расчетная чувствительность МА получена без учета шумов нагрузки входного каскада усилителя и шумов последующего каскада. При их учете чувствительность МА получается существенно хуже.

В антенне по заявке ФРГ №OS 3109391, МКИ H 01 Q 23/00, H 01 Q 7/08 (США №4439771) для повышения широкополосности МА предлагается к рамочной (или ферритовой) антенне подключать неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления +2, а в цепь обратной связи включать вторую такую же антенну. В результате в первую (основную) антенну вносится импеданс, равный по модулю ее импедансу, но противоположный по знаку (отрицательный импеданс). Происходит компенсация импеданса основной антенны и устранение ее резонансных свойств. Основным недостатком такой антенны является неустойчивость работы и склонность к самовозбуждению при воздействии внешних дестабилизирующих факторов.

Наиболее близким по своей технической сущности устройством (прототипом) является ферритовая МА [см. Хомич В.И. Ферритовые антенны. Массовая радиобиблиотека, выпуск 721. - М.: Энергия, 1969, стр.45], содержащая составной ферритовый сердечник с обмоткой из W витков 1, см. фиг.1 настоящего патента (или обмотку из одного витка и повышающего трансформатора с коэффициентом трансформации 1:W) и усилителя 2, выход которого образует выход антенны, причем сердечник выполнен в виде состыкованных торцами отрезков стержней из ферритов с различной начальной магнитной проницаемостью: в центре длины сердечника, в месте расположения обмотки, - из феррита с низкой проницаемостью 3, а на концах - с высокой проницаемостью 4 (гетерогенный сердечник). Благодаря ферриту с высокой проницаемостью такой сердечник лучше концентрирует магнитное поле внутри обмотки на нижних частотах диапазона, улучшая чувствительность МА в этой части диапазона за счет увеличения ее действующей высоты. Недостатком такой МА является ухудшение чувствительности на средних частотах вследствие повышенных шумов МА, вызванных существенными потерями в крайних ферритах с высокой проницаемостью.

Для повышения чувствительности широкополосной МА предлагается ферритовый стержень выполнять из 3-х или более продольных слоев, причем внутренний слой - из сплошного или составного феррита без зазоров или с зазорами между торцами не более 5 мм, имеющего высокую магнитную проницаемость, а крайние - из сплошного (целикового) или составного феррита без торцевых зазоров, имеющего существенно более низкую (5-15 раз) проницаемость. Вариант МА с обмоткой на ферритовом сердечнике представлен на фиг.2, а с одним витком и повышающим трансформатором - на фиг.3.

На фигурах обозначены:

1 - обмотка на ферритовом сердечнике;

2 - усилитель;

3 - ферритовый слой с низкой магнитной проницаемостью;

4 - ферритовый слой с высокой магнитной проницаемостью;

5 - повышающий трансформатор;

6 - магнитные силовые линии;

7 - сумматор;

8а, 8b - выходы МА;

I₀, I₃, I₄ - вихревые токи.

Применение комбинации из ферритов с низкой и высокой проницаемостью позволяет, как и в прототипе, улучшить чувствительность МА на низких частотах, но благодаря предлагаемому многослойному выполнению сердечника достигается дополнительно существенное снижение в нем потерь сигнала на средних частотах диапазона и улучшение чувствительности МА. Снижение потерь можно объяснить следующим образом.

Известно [см. Хомич В.И. Ферритовые антенны. Массовая радиобиблиотека, выпуск 721. - М.: Энергия, 1969; патент США №6014111], что при малом уровне сигналов, а это характерно для приемных антенн, главным источником потерь в ферритах являются вихревые токи, которые протекают в основном по поверхности ферритового сердечника. На фиг.4 в качестве примера приведено сечение трехслойного ферритового сердечника с указанием направления силовых линий магнитного поля 6, проходящих внутри каждого из слоев сердечника (3 и 4), и порождаемых этим полем вихревых токов: I₃ - в феррите с низкой проницаемостью и I₄ - с высокой проницаемостью. На низких частотах магнитные силовые линии будут сосредоточены в основном внутри феррита с высокой проницаемостью, вследствие чего потери в сердечнике будут определяться вихревым током I₄, проходящим по поверхности среднего слоя.

Если бы крайних слоев не было, то с повышением частоты одновременно с понижением магнитной проницаемости происходило бы увеличение потерь в феррите и ухудшение чувствительности МА. На фиг.5 приведены экспериментальные зависимости от частоты сопротивления потерь в ферритовых стержнях длиной 600 мм R_ф(F) для некоторых марок ферритов, а на фиг.6 - тангенса угла потерь tgδ(F). На фиг.5 дополнительно нанесена прямая приведенного в рамку через повышающий трансформатор (или обмотку) сопротивления шумов усилителя R’_шус. В точках пересечения кривых R_ф с R’_шус уровень шумов, обусловленный потерями в феррите равен уровню шумов усилителя. На частотах ниже этой точки R_ф<R’_шус и шумы МА определяются усилителем, а выше - потерями в феррите. Чем выше проницаемость феррита, тем выше чувствительность МА на нижней рабочей частоте, но, как видно из графиков, влияние потерь в ферритах на чувствительность будет сказываться, начиная со все более низких частот, и именно они будут определять чувствительность тракта на средних частотах рабочего диапазона. Так при феррите марки М2000НМ1 это ухудшение будет начинаться уже с 4 МГц.

При наличии крайних слоев образуемые в них вихревые токи I₃ в плоскостях АВ и CD будут направлены навстречу вихревым токам среднего слоя I₄ (см. фиг.4) и на низких частотах токи I₃ будут частично компенсировать I₄, оставаясь существенно меньше I₄. С увеличением частоты оба этих тока начнут расти, но из-за снижения магнитной проницаемости феррита среднего слоя Мu рост тока I₄ будет существенно замедляться, в результате чего эти токи начнут выравниваться по величине. На частоте, соответствующей равенству проницаемостей ферритов внутреннего и внешнего слоев, при одинаковых сечениях слоев, эти токи станут равными, что приведет к практически полной их взаимной компенсации в плоскости между слоями АВ и CD. Основные потери на этой частоте будут обусловлены вихревым током I₀, протекающим по поверхности (периметру) всего сердечника. Ввиду того, что этот ток течет в основном по поверхности феррита с малой проницаемостью (за исключением коротких отрезков АС и BD, фиг.4) потери в сердечнике на этой частоте будут минимальными. На более высоких частотах потери начнут расти, но уже в основном за счет потерь в феррите с малой проницаемостью (токов I₃).

На фиг.7 приведены экспериментальные зависимости от частоты начальной магнитной проницаемости Мu ферритов марок 2000НМ1 и 200ВНП. Равенство проницаемостей имеет место на частоте порядка 13 МГц. На этой же частоте наблюдается и минимум потерь в трехслойном сердечнике, составленном из этих же ферритов (см. кривую “200+2000+200” на фиг.6), причем значение тангенса угла потерь почти на порядок ниже его значения для одиночного стержня из феррита 2000НМ1. Таким образом, за счет предлагаемого многослойного выполнения ферритового сердечника достигается положительный эффект, заключающийся в существенном (достигающем порядка) снижении потерь в ферритовом сердечнике на средних частотах диапазона при использовании в нем комбинации из ферритов с высокой и низкой магнитной проницаемостью.

Небольшие торцевые зазоры между составными элементами высокопроницаемого феррита в среднем слое позволяют дополнительно уменьшить потери без заметного уменьшения действующей магнитной проницаемости всего ферритового сердечника μ_д (1). Данный эффект подтверждается экспериментальными данными по тангенсу угла потерь, приведенными на фиг.8 для комбинации ферритов марок 2000НМ1 и 200ВНП.

До сих пор в качестве примера рассматривалась прямоугольная форма сечения сердечника, состоящего из 3-х слоев, хотя она и не является оптимальной. На фиг.9 приведен вариант сечения, более близкий к оптимальному, в котором внешние слои выполнены из полукруглого феррита. Сердечник может состоять из большего количества слоев, главное, чтобы внешние слои были выполнены из феррита с низкой проницаемостью.

МА с одним ферритовым стержнем используется на практике редко, поскольку такая МА обладает диаграммой направленности в горизонтальной плоскости в виде “восьмерки” с двумя минимумами. Чаще используется вариант МА с двумя ортогонально расположенными стержнями, позволяющий исключить эти минимумы и получить круговую диаграмму направленности. В этом плане МА с ферритовым сердечником в виде рамки обеспечивает наилучшие электрические параметры при минимальных массогабаритных показателях. Применительно к такой реализации заявляемой МА предлагается ферритовый сердечник составлять из 4-х многослойных ферритовых стержней в виде рамки с взаимным перекрытием слоев в ее углах. Пример предлагаемого исполнения МА с таким сердечником представлен на фиг.10.

МА состоит из 4-х рассмотренных ранее одиночных МА, две из которых образуют первый канал приема с выходом 8а, а две другие - второй канал приема с выходом 8b, диаграмма направленности которого ортогональна первому каналу. Поскольку к концам каждого стержня оказываются плотно пристыкованными концы ортогональных стержней, действующая магнитная проницаемость каждого ферритового сердечника увеличивается (до 20-30%), способствуя улучшению чувствительности. Благодаря сложению в сумматорах 7 сигналов, принятых двумя одиночными МА с сердечниками в противоположных сторонах рамки, чувствительность канала приема относительно одиночной МА дополнительно улучшается до раз. В качестве сумматоров могут быть использованы трансформаторы.

Благодаря уменьшению потерь в ферритовых сердечниках, предложенная широкополосная МА имеет более высокую чувствительность и обеспечивает более высокое качество приема по сравнению с известными МА, особенно в сложной помеховой обстановке, складывающейся в районе больших городов или на подвижных объектах связи, например, на морских судах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хомич В.И. Ферритовые антенны. Массовая радиобиблиотека, выпуск 721 - М.: Энергия, 1969. 96 с.

2. Вершков М.В. Расчет и проектирование судовых антенн радиосвязи. - Л.: Морской транспорт, 1963, 148 с.

3. Бобков A.M. Реальная избирательность радиоприемных трактов в сложной помеховой обстановке. - Санкт-Петербург, Абрис, 2001. - 216 с.

4. Бобков A.M., Алещенко А.Н. Напряжения, наводимые на корабельные активные приемные антенны в переизлучающей среде. // Судостроение. - 2000. - №6. - С.35-37.

5. Авт. свид. СССР №253177, МКИ H 01 Q 11/12, 1973.

6. Мамышев А.Ю., Павлов С.В. Широкополосная активная ферритовая антенна//Труды НИИР. - 1987. - №3.

7. Павлов С.В. Широкополосная активная рамочная антенна с трансформаторной связью//Труды НИИР. - 1987. - №4, с.45-48.

8. Заявка ФРГ №OS 3209345, МКИ H 01 Q 7/00, 1982.

9. Заявка ФРГ №OS 3109391, МКИ H 01 Q 23/00, H 01 Q 7/08 (США №4439771).

10. Преображенский А.А. Магнитные материалы и элементы. Изд. 2-е и доп. - М.: Высшая школа, 1976. - 336 с.

11. Патент США №6014111, МКИ H 01 Q 007/08, 1997.

1. Широкополосная приемная ферритовая антенна с комбинированным сердечником, содержащая составной сердечник в виде стержня из ферритов с различной начальной магнитной проницаемостью с обмоткой поверх сердечника, имеющей количество витков W≥2, выводы которой соединены со входом усилителя, или обмотку, состоящую из одного широкого витка, выводы которого соединены через повышающий трансформатор со входом усилителя, а выход усилителя образует выход антенны, отличающаяся тем, что ферритовый стержень выполнен из 3 или более продольных слоев, причем внутренний слой - из сплошного или составного феррита без зазоров или с зазорами между торцами не более 5 мм, имеющего высокую магнитную проницаемость, а крайние - из сплошного или составного феррита без торцевых зазоров, имеющего существенно более низкую (5-15 раз) проницаемость.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что она содержит четыре одиночные антенны, сердечники которых объединены в рамку с взаимно-перекрывающимися слоями в углах.