ШИРОКОПОЛОСНАЯ ПРИЕМНАЯ ФЕРРИТОВАЯ АНТЕННА
BROADBAND RECEIVING FERRITE ANTENNA

Изобретение относится к радиоприемной технике и может быть использовано в области радиоизмерений, радиосвязи, радионавигации или радиопеленгации.
При решении задач анализа параметров радиоизлучений очень важным является сохранение первичной информации о радиоизлучении в сигнале на выходе приемной антенны. В этой роли себя наилучшим образом зарекомендовали приемные магнитные ферритовые антенны [1], которые при необходимой широкополосности обладают относительно небольшими габаритами. При этом основной помеховый фактор, вызывающий искажения выходного сигнала с ферритовой антенны, обусловлен влиянием на антенну электрического поля, сопутствующего в электромагнитной волне магнитному.
Известна широкополосная приемная ферритовая антенна [2], в которой обмотка на стержневом ферритовом сердечнике помещена в электрический экран. Антенна предназначена для использования в радиоприемниках общего назначения. Недостатком антенны является то, что ее электрический экран представляет собой резистивную оболочку, плохо экранирующую даже слабопеременные электрические поля.
Наиболее близким по своей технической сущности устройством (прототипом) является широкополосная приемная ферритовая антенна [3], содержащая обмотку, намотанную на стержневом ферритовом сердечнике и помещенную в электрический экран с продольной прямолинейной щелью, выполненный из металла с хорошей электропроводностью. Экран из металла с продольной щелью достаточно хорошо защищает обмотку ферритовой антенны в диапазоне частот от 0 до 100 кГц. Недостатком прототипа является то, что с дальнейшим ростом частоты такой экран становится все менее эффективным, и быстро возрастает восприимчивость антенны к помеховому воздействию электрической составляющей электромагнитного поля.
Техническим результатом изобретения является снижение восприимчивости широкополосной приемной ферритовой антенны к электрической составляющей электромагнитного поля.
Технический результат достигается тем, что у широкополосной приемной ферритовой антенны, содержащей обмотку, намотанную на стержневом ферритовом сердечнике и помещенную в электрический экран с продольной щелью, электрический экран выполнен в виде двух коаксиально вложенных одна в другую и разделенных диэлектрическим слоем электропроводящих оболочек с идентичными винтовыми щелями, каждая из которых совершает один оборот вокруг продольной оси оболочек на длине соответствующей оболочки, причем начала винтовых щелей сдвинуты относительно друг друга на 180°, и оболочки электрически соединены между собой по винтовой линии, равноотстоящей от линий винтовых щелей каждой из оболочек, а обмотка антенны выполнена в виде двух равных частей, намотанных одна поверх другой, встречно, и концы этих частей с одной стороны электрически соединены между собой, а с другой образуют дифференциальный выход антенны.
В результате с помощью двухоболочечного электрического экрана с идентичными сдвинутыми друг относительно друга на 180° винтовыми щелями в каждой из оболочек, электрически соединенных между собой, обмотка антенны эффективно экранируется от действия поперечных к продольной оси оболочек компонент электрического поля, а продольная компонента электрического поля, параллельная оси оболочек, возбуждает в каждой из двух встречно намотанных частей обмотки синфазные сигналы, которые компенсируют друг друга на дифференциальном выходе антенны.
На фиг.1 приведен вид на антенну сверху, антенна в сборе;
На фиг.2 приведен вид на антенну сверху, вскрыта первая оболочка электрического экрана антенны;
На фиг.3 приведен вид на антенну сверху, вскрыты первая и вторая оболочки электрического экрана антенны;
на фиг.4 - вид сбоку.
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - стержневой ферритовый сердечник;
2 - первая часть обмотки;
3 - вторая часть обмотки;
4 - внешняя оболочка электрического экрана;
5 - диэлектрический слой;
6 - внутренняя оболочка электрического экрана;
7 - спиральная щель во внешней оболочке электрического экрана;
8 - спиральная щель во внутренней оболочке электрического экрана;
9 - электрическое соединение внешней и внутренней оболочек электрического экрана.
Широкополосная приемная ферритовая антенна содержит стержневой ферритовый сердечник 1, первую 2 и вторую 3 равные части обмотки, намотанные на ферритовый сердечник 1 встречно друг другу, внешнюю 4 и внутреннюю 6 коаксиальные электропроводящие оболочки электрического экрана с идентичными спиральными щелями, 7 и 8 соответственно, каждая из которых совершает один оборот вокруг продольной оси оболочек с фазовым сдвигом относительно друг друга 180°, диэлектрический слой 5, изолирующий внешнюю 4 и внутреннюю 6 оболочки электрического экрана, и электрическое соединение 9, обеспечивающее электрический контакт между внешней 4 и внутренней 6 оболочками электрического экрана по спиральной линии, равноотстоящей от линий спиральных щелей 7 и 8.
Антенна работает следующим образом.
Магнитная составляющая падающего на антенну электромагнитного поля концентрируется стержневым ферритовым сердечником 1 и наводит по закону электромагнитной индукции в равных встречно намотанных частях 2 и 3 обмотки равные по величине противофазные эдс. Эти эдс, последовательно включенные в общую цепь обмотки, формируют на ее дифференциальном выходе напряжение, по величине соответствующее их сумме. Электрическая компонента электромагнитного поля, перпендикулярная оси ферритового сердечника 1 на участках, где она направлена по касательной к плоскости спиральной щели 7, взаимодействуя с внешней оболочкой электрического экрана 4, наводит на зазоре спиральной щели 7 эдс, которые взаимно компенсируются в силу их полярной симметрии на одном обороте вокруг продольной оси внешней оболочкой электрического экрана 4. На участках, где поперечная компонента электрического поля направлена по нормали к плоскости спиральной щели, преодолев спиральную щель 7, возбуждает волноводную полость, образованную диэлектрическим слоем 5, а также внешней 4 и внутренней 6 оболочками электрического экрана, где затухает аналогично электромагнитному полю в закритичной области волновода, сформированного при участии винтового электрического соединения 9, замыкающего накоротко внешнюю 4 и внутреннюю 6 оболочки электрического экрана. Спиральная щель во внутренней оболочке электрического экрана 8 обеспечивает общую продольную разомкнутость (несплошность) электрического экрана при сохранении его экранирующих свойств для поперечных компонент электрического поля. Продольная компонента электрического поля, параллельная оси сердечника 1, проникая внутрь электрического экрана с его торцов, взаимодействует с первой 2 и второй 3 частями обмотки как с электрическими диполями и наводит в них синфазные эдс, которые в отличие от противофазных вычитаются друг из друга при их последовательном включении, сводя к минимуму помеховое воздействие этой компоненты электрического поля на сигнал от магнитной составляющей электромагнитного поля на дифференциальном выходе антенны.
н
Количественная оценка технического результата может быть проведена на основе следующих соображений. При падении на антенну электромагнитной волны на выходе антенны, работающей в апериодическом режиме (что соответствует широкополосному приему) индуцируется напряжение U, пропорциональное магнитной компоненте поля, действующей вдоль оси стержневого ферритового сердечника 1
н
пр
U(t)=КH(t),
пр
где К - коэффициент преобразования антенны;
H(t) - изменяющаяся во времени напряженность магнитного поля.
В апериодическом режиме, для которого необходимо выполняется соотношение
хар
H
(l/t)L»R,
xap
где t - характерное время изменения магнитного поля;
L - индуктивность обмотки антенны;
H
R - сопротивление нагрузки антенны, для коэффициента преобразования при условии, что обмотка намотана равномерно по всей длине сердечника, с хорошей точностью можно положить
,
где l - длина ферритового сердечника;
N - число витков обмотки.
При этом на нагрузке антенны выделяется напряжение
t
Электрическая составляющая электромагнитного поля, воздействующая на антенну одновременно с магнитной, является помеховым фактором, искажающим полезный сигнал от магнитного поля. Величину этого искажения можно оценить покомпонентно, привязавшись к условно цилиндрической геометрии электрического экрана. Тогда касательная к плоскости щели компонента электрического поля E, возбуждая щелевой зазор, наводит в нем эдс
где а - ширина щелевого зазора.
щ
н
Щелевой зазор, обладая электрической емкостью С, как источник помехового электрического сигнала через виток, образованный корпусом экрана, ферритовый сердечник и обмотку антенны оказывается магнитно связан с нагрузкой R. Для двух электрических контуров, к первому из которых относится экранный виток с источником эдс, а вторым является обмотка антенны с нагрузкой, связанных общим магнитопроводом в виде сердечника антенны, в линейном режиме магнитной связи и в пренебрежении магнитными потерями справедливо
12
21
где M, M - взаимные индуктивности первого (индекс 1) и второго (индекс 2) контуров;
L1, L2 - собственные индуктивности соответствующих контуров;
N1, N2 - число витков в обмотках соответствующих контуров.
С учетом (3) напряжения, индуцированные на обмотках связанных контуров «1» и «2», равны
12
21
где Ψ, Ψ - потокосцепления взаимной индукции контуров «1» и «2»;
1
2
i, i - токи, протекающие в контурах «1» и «2» соответственно;
Ф - магнитный поток в сердечнике антенны, обусловленный эдс (2).
Отношение напряжений U1 и U2 определяет коэффициент трансформации напряжения из первого контура во второй
или численно с учетом того, что N1=1, N2=N получаем
тр
K=N,
где N - общее число витков обмотки антенны.
Пренебрегая электрическими и магнитными потерями в сердечнике, электрическом экране и обмотке антенны, при 100%-ной передаче мощности сигнала из первого контура во второй можем записать
1
где R - приведенная к первому контуру нагрузка антенны.
гр
Режим работы источника эдс, связанного со щелью, зависит от некоторой граничной частоты f, определяемой из соотношения
гр
1
щ
f=1/2πRC
или с учетом (4)
щ
Если для оценки С принять
d/a≈1 и b>>а,
где d - толщина материала экрана;
b - поперечный размер электрического экрана, равный диаметру его внешней оболочки 4, то в соответствии с [4] имеем
н
гр
Для характерных величин сопротивления нагрузки R=(50÷75) Ом и числа витков обмотки антенны в высокочастотном диапазоне N=(3÷5), получим из (5) примерное значение f≈1 ГГц.
Тогда при характерном временном масштабе изменения напряженности электрического поля
помеховая эдс (2) передается в нагрузку в режиме дифференцирования, а при выполнении
она передается в нагрузку без искажений.
0
Для этих основных режимов оценим соотношение между напряжениями на нагрузке от воздействия на антенну магнитной и электрической составляющих электромагнитного поля, полагая, что они связаны между собой через волновое сопротивление свободного пространства W≈377 Ом. С учетом соотношений (1), (2), (4) получим:
- для режима дифференцирования в частотном представлении
- для апериодического режима во временном представлении
пом
xap
2
Обозначив относительную ошибку, обусловленную влиянием этой индуцированной на поверхности электрического экрана помехи δ, и принимая во внимание тот факт, что понижение частоты f при расширении полосы антенны в сторону низких частот, как правило, пропорционально N, из (6) и (7) можно найти диапазон возможных ошибок, который при указанных соотношениях входящих в них величин составляет
пом
t
δ(Е)≈(10÷30)%.
Очевидно, что эти значения ошибок оказывают заметное влияние на результат преобразования напряженности магнитного поля.
s
Благодаря наличию в предлагаемом устройстве внешней электропроводящей оболочки электрического экрана 4, имеющей спиральную щель 7, совершающую один оборот (360°) вокруг продольной оси сердечника 1, выполняется следующее условие: для произвольного сечения внешней оболочки экрана 4 с направлением α щели 7 найдется другое сечение, идентичное первому, но с диаметрально противоположным направлением β щели 7. Это означает, что в однородном электрическом поле интеграл помеховых эдс Ea вдоль спиральной линии щели 7 равен нулю, т.к. каждому частичному значению этой эдс на всем интервале интегрирования от входного до выходного сечений найдется равное ему по величине и противоположное по знаку значение. То есть поверхностное возбуждение электрического экрана касательной к нему поперечной компонентой электрического поля полностью компенсируется на спиральной щели 7 внешней оболочки электрического экрана 4.
Однако нормальная к поверхности внешней оболочки электрического экрана 4 составляющая электрического поля преодолевает спиральную щель 7 и проникает во внутреннюю полость этой оболочки. Оценку величины этой компоненты электрического поля внутри оболочки экрана с бесконечной продольной щелью в квазистационарном приближении можно провести по формуле [5]
где r - расстояние от щели до рассматриваемой точки внутри оболочки экрана.
С помощью выражения (8) среднее значение напряженности поперечного электрического поля, действующего внутри полости оболочки, может быть вычислено из соотношения
Откуда при выполнении d/a≈1 и b>>a следует
Максимальное значение помехового напряжения, наведенное на нагрузке антенны под действием поперечного электрического поля, стремится, в свою очередь, к величине
н
При этом максимальная относительная ошибка преобразования полезного сигнала U на фоне помехового воздействия внутреннего поперечного электрического поля с учетом (1) и (9) составит
Для снижения уровня влияния поперечного электрического поля, проникающего через щель непосредственно внутрь оболочки, в предлагаемом устройстве внутрь внешней оболочки электрического экрана 4 вкладывается вторая внутренняя оболочка электрического экрана 6, отделенная от внешней диэлектрическим слоем 5. Внутренняя оболочка 6 имеет спиральную щель 8, идентичную спиральной щели 7, но противоположно направленную (сдвинутую на 180°). Внешняя 4 и внутренняя 6 оболочки электрического экрана электрически соединяются между собой по спиральной линии 9, равноотстоящей от спиральных щелей 7 и 8. В результате фазового сдвига спиральной щели 8 в устройстве исключается прямая видимость через спиральную щель 7 во внешней оболочке 4 электрического экрана защищаемых частей обмотки 2 и 3, и помеховое электрическое поле может появиться в зазоре спиральной щели 8, только преодолев ослабляющее действие замкнутой накоротко полости, образованной диэлектрическим слоем 5 с размерами h×πb/2×l, где h - высота полости, равная толщине диэлектрика 5.
t
Для оценки эффективности внутренней оболочки электрического экрана 6 используем квазистационарное приближение (8). Напряженность электрического поля в образованной внешней и внутренней оболочками полости по мере перемещения точки наблюдения от щели внешней оболочки к щели внутренней оболочки убывает в соответствии с функцией cosΘ, где Θ - угол между нормалью к плоскости щели в некотором сечении антенны и радиус-вектором, проведенным из центра щели в точку наблюдения. Поскольку расстояние между сдвинутыми на 180° щелями оболочек по лабиринту образованной полости равно πb/2, то ослабление E на выходе из полости во внутреннее пространство внутренней оболочки будет пропорционально πb/2h, т.е., по крайней мере для оценки, можно принять
осл
К≈πb/2h.
пом m
t вн
При реализации соотношения b=20h боковое проникновение электрического поля через барьер из двух оболочек со спиральными щелями 7 и 8 практически отсутствует, гарантируя дополнительное уменьшение значения U(Е) из (9), по крайней мере, в 30 раз.
В тех случаях, когда торцы внешней 4 и внутренней 6 оболочек электрического экрана открыты (например, при наращивании длины стержневого ферритового сердечника 1 с целью увеличения чувствительности антенны), появляется канал проникновения внутрь электрического экрана продольного электрического поля, действующего параллельно оси стержневого ферритового сердечника 1. Считая этот канал проникновения волноводным с размерами b×l, для ослабления продольного электрического поля воспользуемся тем же соотношением [6]
осл l
l
l вн
К=E/Е≈25 r/b [дБ],
где r - расстояние от торца электрического экрана до его поперечного сечения, в котором определяется напряженность электрического поля.
Среднее значение напряженности продольного электрического поля
внутри экрана с учетом того, что  составит
а максимальное значение помехового напряжения на нагрузке антенны при воздействии этой компоненты электрического поля стремится к величине
l
В том, что касается происхождения компоненты поля Е, то в дальней зоне источника она появляется тогда, когда угол φ между вектором магнитного поля Н и плоскостью, в которой установлена антенна, отличается от нуля. При этом
ант
l
Н=Нcosφ; Е=Еsinφ,
где Е, Н - модули векторов магнитного и электрического поля в падающей на антенну электромагнитной ТЕМ-волне.
l
Относительная ошибка, связанная с помеховым воздействием Е, с учетом (1) и (10) принимает вид
В случае наземного приема радиосигналов непараллельность вектора Н и горизонтальной плоскости расположения магнитной антенны невелика и для реальных углов φ, обычно не превышающих нескольких градусов, относительная ошибка составляет
пом m
l
δ(Е)≤20÷40%.
Разбиение обмотки в предлагаемом устройстве на две равные части 2, 3 и намотка их одна по другой встречно друг другу имеют своим результатом тот факт, что напряжения, снимаемые с частей 2 и 3 обмотки, противофазны, если обусловлены магнитным полем, и синфазны, если обусловлены продольным электрическим полем. Синфазные напряжения на нагрузке, подключенной к дифференциальному выходу антенны, взаимно компенсируются. Степень компенсации определяется обычно геометрической идентичностью исполнения частей 2 и 3 обмотки и характеризуется коэффициентом компенсации, который при должной тщательности намотки достигает 40 дБ. В итоге влияние продольного электрического поля на полезный сигнал на нагрузке антенны уменьшается до не более 0,5%.
Таким образом, в предлагаемой широкополосной приемной ферритовой антенне в 30÷100 раз снижена восприимчивость к электрическому полю, а связанная с ним относительная погрешность преобразования магнитного поля не превышает 1,5%.
Источники информации
1. Хомич В.И. Ферритовые антенны. М., Энергия, 1969, с.29-54.
2. Skidmore W.S. Electrostatically-shielded loop antenna. Патент США №2981950, Кл. 343-788, 1959.
3. Ротхаммель К., Кришке А. «Антенны». Минск, Наш город, т.2, 2001, с.194.
4. Гликман И.Я., Русин Ю.С. Расчет характеристик элементов цепей радиоэлектронной аппаратуры, М., Сов. радио, 1976, с.71.
5. Гликман И.Я., Русин Ю.С. Расчет характеристик элементов цепей радиоэлектронной аппаратуры, М., Сов. радио, 1976, с.137.
6. Уильямс Т., Армстронг К. ЭМС для систем и установок. М., Издательский дом «Технологии», 2004, с.258-259.