ПРИЕМНАЯ МАГНИТНАЯ АНТЕННА
RECEIVING MAGNETIC ANTENNA

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве приемных антенн при создании радиоприемных устройств.
Известны приемные магнитные антенны, содержащие колебательный контур, состоящий из параллельно соединенных конденсатора и антенной рамки в виде катушки индуктивности, намотанной на ферритовом стержне и усилитель. Колебательный контур в такой антенне подключен на вход усилителя, выход которого является выходом антенны. Действующая высота антенны и полоса частот принимаемых сигналов определяются характеристиками антенной рамки и параметрами контура. [Хомич В.И. Ферритовые антенны. М., Энергия, 1969, 96 с.]. Увеличение действующей высоты такой антенны приводит к уменьшению полосы принимаемых частот, что сужает возможность использования магнитной антенны в коротковолновом диапазоне.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является приемная магнитная антенна [Авторское свидетельство SU №1597990], содержащая колебательные контуры из конденсаторов и катушек индуктивности, каждая из которых намотана на отдельном ферритовом стержне, сумматор с несколькими входами и одним выходом, являющимся выходом антенны, при этом каждый колебательный контур настроен на свою частоту и подключен к своему входу сумматора. Чтобы полоса частот принимаемых сигналов была непрерывной при суммировании выходных напряжений колебательных контуров, в антенне-прототипе используется электромагнитная связь между контурами, организованная путем размещения контурных катушек на некотором расстоянии друг от друга.
Для применения магнитной антенны в профессиональных радиоприемных устройствах необходимо повысить действующую высоту антенны. Уменьшение полосы частот каждого контура в антенне-прототипе позволяет увеличить действующую высоту антенны, однако при этом для сохранения полосы принимаемых частот необходимо увеличивать число контуров, что приводит к усложнению антенны и увеличению ее размеров.
Техническим результатом предлагаемого решения является увеличение действующей высоты магнитной антенны при одновременном расширении полосы частот принимаемых сигналов.
Технический результат достигается тем, что в приемную магнитную антенну, содержащую n колебательных контуров из параллельно соединенных конденсаторов и антенных рамок, каждая из которых намотана на отдельном ферритовом стержне, и усилитель, выход которого является выходом антенны, введены дополнительные обмотки связи на ферритовые стержни антенных рамок всех n колебательных контуров, при этом обмотки связи всех n колебательных контуров соединены последовательно по фазе, свободный конец обмотки связи n-го контура присоединен к общей точке схемы, свободный конец обмотки связи первого контура присоединен ко входу усилителя, а все n колебательных контуров настроены на одну частоту.
Новым качеством, не обнаруженным в патентной и научно-технической литературе, является то, что в предлагаемой антенне суммируются выходные напряжения n колебательных контуров, настроенных на одну частоту, и таким образом увеличивается действующая высота антенны. Полоса частот принимаемых сигналов в такой антенне регулируется соотношением числа витков основной и дополнительной обмоток.
На фигуре 1 приведена структурная схема приемной магнитной антенны.
Антенна состоит из n колебательных контуров 1, 2, 3…n, каждый из которых включает в себя параллельно соединенные конденсатор 4 и антенную рамку в виде катушки индуктивности 5, намотанной на ферритовом стержне 6, и усилителя 7. На каждом ферритовом стержне 6 намотаны дополнительные обмотки связи 8. Конец обмотки связи 8 контура 1 соединен с началом обмотки связи 8 контура 2, конец обмотки связи 8 контура 2 соединен с началом обмотки связи 8 контура 3 и далее аналогично соединены обмотки связи всех последующих контуров, при этом свободный конец обмотки связи 8 контура n соединен с общей точкой схемы, а свободный конец обмотки связи 8 контура 1 соединен со входом усилителя 7.
На фигуре 2 приведена эквивалентная схема включения антенной рамки с образованием параллельного контура, соединенного с усилителем с помощью дополнительной обмотки.
На фигуре 3 приведены результаты моделирования приемной магнитной антенны с одним контуром и с двумя контурами.
На фигуре 3 цифрой 9 обозначена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) одноконтурной антенны, числом 10 обозначена АЧХ двухконтурной антенны при сохранении коэффициента связи равного оптимальному для одного контура, числом 11 обозначена АЧХ двухконтурной антенны при сохранении полосы частот равной полосе частот контура одноконтурной антенны.
Антенна работает следующим образом.
Электромагнитное поле приходящей волны создает электродвижущую силу (ЭДС) в антенных рамках n контуров.
ЭДС многовитковой антенной рамки с ферритовым сердечником, помещенной в электромагнитное поле, определяется формулой [Фрадин А.З. Антенно-фидерные устройства. М., «Связь», 1977, 440 с]:
где обозначено:
π=3,14;
λ - длина волны, м;
Е - напряженность электрического поля, В/м;
отн
μ - относительная магнитная проницаемость сердечника(феррита);
2
S - площадь витка антенной рамки, м;
N - число витков в антенной рамке;
θ - угол между перпендикуляром к плоскости витка антенной рамки и направлением прихода радиоволны.
Эквивалентная ЭДС антенной рамки, пересчитанная для параллельного контура:
где обозначено:
ap
к
р=L/C - характеристическое сопротивление антенного контура;
ap
L- величина индуктивности антенной рамки;
к
С - резонансная емкость антенного контура;
r - сопротивление омических потерь антенной рамки;
0
Q=р/r - собственная добротность антенного контура.
0
Поскольку собственная добротность одиночного контура Q=р/r, тогда добротность одиночного нагруженного контура выражается формулой:
2
где q=N/N - коэффициент связи антенного контура с нагрузкой;
2
N - число витков обмотки связи;
н
R - входное сопротивление усилителя;
N - число витков в антенной рамке. При оптимальном согласовании вносимое со стороны усилителя в контур сопротивление должно быть равно сопротивлению омических потерь антенной рамки. При этом коэффициент оптимальной связи будет равен:
соответственно добротность оптимально нагруженного одиночного контура:
а полоса антенны с одним оптимально нагруженным контуром:
- полоса одиночного ненагруженного контура;
f - резонансная частота контура.
Напряжение на выходе антенны в одноконтурной схеме:
здесь и в дальнейшем изложении коэффициент усиления усилителя принимается равным 1.
Поскольку под действующей высотой антенны понимается отношение выходного напряжения антенны к напряженности электрического поля, то действующая высота антенны с одиночным оптимально нагруженным контуром:
н
В антенне с последовательным соединением n контуров сопротивление нагрузки каждого контура равно R/n. При сохранении коэффициента связи контура с нагрузкой на уровне оптимального для одиночного контура добротность каждого контура антенны с n контурами выражается формулой:
следовательно, полоса контура в многоконтурной антенне:
Отношение полос многоконтурной и одноконтурной антенн при сохранении оптимальной связи с усилителем равно:
то есть, в многоконтурной антенне полоса приема расширяется пропорционально количеству контуров.
Напряжение на выходе одного контура в схеме многоконтурной антенны при сохранении  будет равно:
Вследствие размещения всех n рамок в непосредственной близости друг от друга, наведенные в антенных рамках ЭДС имеют одинаковые фазы. За счет последовательного соединения обмоток связи выходные напряжения антенных контуров суммируются и напряжение на выходе многоконтурной антенны равно:
Действующая высота многоконтурной антенны с оптимально нагруженными контурами:
Соотношение действующих высот многоконтурной и одноконтурной антенн при сохранении оптимальной связи с усилителем определится отношением:
Таким образом, при сохранении оптимальной связи с нагрузкой действующая высота многоконтурной антенны по сравнению с одноконтурной антенной увеличивается при одновременном расширении полосы частот.
Когда не требуется расширения полосы частот принимаемых сигналов, добротность контура в многоконтурной антенне необходимо сохранить, для чего коэффициент связи с нагрузкой каждого контура уменьшается (уменьшается количество витков обмотки связи). Для расчета пропорционального снижения коэффициента связи составляется равенство:
на основе которого получается соотношение:
При таком коэффициенте связи добротность каждого контура многоконтурной антенны становится равной добротности одиночного нагруженного контура, то есть
а напряжение на выходе контура в многоконтурной антенне будет равно:
Тогда, после суммирования, величина напряжения на выходе многоконтурной антенны будет равна:
а действующая высота соответственно:
Составляя соотношение действующих высот:
получаем то, что при переходе от одноконтурной антенны к n-контурной с сохранением полосы действующая высота антенны возрастает в √n раз.
Расчетные соотношения полос и действующих высот одноконтурной и многоконтурной антенн полностью подтверждаются результатами моделирования приемной магнитной антенны с одним контуром и с двумя контурами, приведенными на фиг. 3.