Применение ферритов для влияния кабелей на характеристики излучения антенных систем

УДК 621.396.67

Ю.В. Серединский, В.П. Горбунов, Ю.Н. Новиков

ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРРИТОВ ДЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ ВЛИЯНИЯ КАБЕЛЕЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ АНТЕННЫХ СИСТЕМ

Статья посвящена решению проблемы уменьшения паразитного влияния кабелей на характеристики антенных систем (АС), возникающего при построении многоярусных антенных комплексов (АК).

Ярусная конструкция антенной системы

При создании антенных систем многодиапазонных антенных комплексов (например, используемых в радиопеленгаторах) разработчики стремятся повышать их эффективность и широ-кополосность, укладываясь в компактные габаритные размеры. Часто для охвата широкого диапазона частот рабочую полосу разбивают на поддиапазоны, в каждом из которых работает отдельная АС. В этом случае возникает проблема электромагнитной совместимости — необходимо обеспечивать требуемые характеристики каждой АС при плотной компоновке всего АК. Одно из решений — разнесение антенн на ярусы. Пример ярусной конструкции АК представлен на рис. 1, а.

Объектом описанных в статье исследований является АС УКВ-диапазона (100-400 МГц), размещенная на одном из ярусов АК (рис. 1, 6) [1]. Она состоит из нескольких независимых компланарных пар рамочных антенн, установленных на круглом металлическом экране. Испытания показали, что кабели от АС верхних ярусов, проходящие между рамками антенной системы УКВ-диапазона, искажают ее пеленга-

ционные характеристики: наблюдается увеличение уровня побочного излучения (УПИ) и ширины диаграммы направленности (ДН) антенны. УПИ в данном случае — максимальный уровень заднего и боковых лепестков ДН.

Предложенные решения и методика их исследования

В целях ослабления влияния кабелей было предложено воспользоваться ферритовыми материалами, подобранными по типу и размещенными на кабелях особым образом. Рассматривались два решения: покрывать кабель ферритовыми кольцами [2] и наматывать кабель на ферритовые стержни [3].

Для выяснения эффективности этих способов выполнялись специальные исследования. Направление поиска — выбор ферритовых материалов наиболее подходящего типа и размера. Ожидалось, что при правильном использовании они могут осуществлять подавление паразитных сигналов и экранирование [4].

Чтобы оценить эффективность предложенных решений, была выполнена серия экспериментальных исследований на конструкциях антенн двух типов:

вспомогательной модели, имитирующей кабель АС верхнего яруса, что позволило подобрать лучшие в заданном диапазоне частот ферритовые материалы и геометрию их размещения на кабеле;

Рис. 1. Схема ярусной конструкции антенного комплекса

и ее фрагмент (б) 1 - антенна СВЧ; 2-дюлсктричсская стойка; 3-сигнальный кабель; 4-антенная система УКВ-диапазона на компланарных парах

компланарной паре рамочных антенн УКВ-диапазона в присутствии конструкций, имитирующих кабели разного вида (с ферритами и без них) между рамками, что позволило проверить эффективность предложенных решений.

Измерения производились на специализированном стенде антенных измерений по схеме, приведенной на рис. 2, а. Применялся метод вращающейся антенны, размещенной в дальней зоне (расстояние между излучателями 4 м, высота над землей 4 м). В качестве основного измерителя использовался анализатор спектра РБНб фирмы КОНОЕ&5СН\УАЯ2, работающий в режиме трекинг-генератора и позволяющий измерять коэффициент передачи гармонического сигнала (КП) с выхода на вход спектроанализа-тора в диапазоне 100—400 МГц с шагом 1 МГц.

Вспомогательная модель, имитирующая сигнальный кабель АС верхнего яруса, представляла собой несимметричный вибратор над экраном. Вибратор покрывался ферритовыми кольцами. Эффективность влияния ферритовых

о) во

колец определенной марки характеризовалась величиной ослабления сигнала (в децибелах), принятого вибратором, вычисляемого по формуле

Ослабление = КПотн = КП - КПф,.р,

где КП и КП^р, дБ, — значения коэффициентов передачи в эксперименте с вибратором без ферритов и при добавлении ферритовых колец некоторой марки; КПотн,дБ, — относительный коэффициент передачи.

В ходе исследований было сформулировано предположение: полученные для ферритовых колец выводы о влиянии параметров материала на излучение кабеля справедливы и для материалов ферритовых стержней. Это предположение впоследствии подтвердилось в экспериментах.

Частотные зависимости ослабления принимаемого вибратором сигнала для разных ферритовых материалов

Исследования производились для ряда отечественных марок ферритов (см. таблицу).

Иссл АС

вых вх

Рис. 2. Измерительная схема (а); результаты измерений частотных зависимостей ослабления сигнала (б) и коэффициента передачи измерительной цепи (в). Длина вибратора 240 мм (б) и 200 мм (в) ВО- вспомогательный облучатель; АС- исследуемая антенная система; Р8Н6 — анализатор спектра;

ВХ, ВЫХ - его вход и выход

*

Ж г

5

2

320 340 3«0 зао 400

и

-35"

Частот», мг ц

-Без ферритов --С ферритами МЭВН

--С ферритами М800ВНРП ...... С ферритами М20ВН

-С ферритами М7ВН С ферритами М30ВН

Частота, МГц

М10000НМ М1500НМ--М30ВН <0«12мм) -М800ВНРП

М6000НМ ......М2000НМ - - МЗОВН (0=7мм) - - М20ВН

ДО*180 200 220 240 2«0 280 300 320 340 ЗвО 3(0 400 У

Основные характеристики использованных ферритовых колец

Марка феррита Цн /с, МГц р, Ом м й х х А, мм

М10000НМ 10000 0,05 0,1

М6000НМ 6000 0,1 1

М2000НМ 2000 0,45 5

М1500НМ 1500 1,7 0,5

М800ВНРП 800 0,5 105

М30ВН (О =7 мм) 30 200 105

М30ВН (0= 12 мм) 30 200 105 12x6x4,5

М20ВН 20 200 ю6 10x6x3

М9ВН 9 650 106 7x4x2

М7ВН 7 220 106 7x4x2

Принятые в таблице обозначения: — начальная магнитная проницаемость;^ — критическая частота; р — удельное электрическое сопротивление; й,(1,И — внешний, внутренний радиус и высота кольца соответственно.

На рис. 2, б приведены измеренные частотные зависимости ослабления сигнала, принимаемого вибратором длиной 240 мм, для восьми марок ферритов. Наибольшее ослабление сигна-ладают кольца марки М800ВНРП с максимальным значением удельного электрического сопротивления и критической частотой, лежащей много ниже частот рабочего диапазона.

Увеличение толщины колец приводит к незна-ч ител ьному увел ичению ослаблен ия. Значен ие начальной магнитной проницаемости ферритов существенного влияния на ослабление в рабочем диапазоне не оказало. Все марки феррита, имеющие критическую частоту, лежащую много ниже частот рабочего диапазона, ослабляют принимаемый вибратором сигнал во всем диапазоне.

В ходе экспериментов на несимметричном вибраторе было установлено, что зависимость ослабления от доли покрытия вибратора ферри-товыми кольцами имеет характер насыщения. Максимапьный вклад в изменение уровня принимаемого вибратором сигнала вносят кольца, заполняющие его нижнюю часть.

Эффект усиления сигнала, принимаемого вибратором

Эксперименты с несимметричным вибратором позволили выявить эффект усиления сигнала, принимаемого вибратором. На рис. 2, о этому усилению соответствуют отрицательные значения ослабления в нижней части рабочего диапазона дня ферритов М30ВН и М20ВН.

Приведем результаты экспериментальных исследований по полю, полученные для вибратора длиной 200 мм и позволяющие подробно рассмотреть эффект усиления сигнала, принимаемого вибратором с ферритами [5]. Зависимость абсолютного значения КП от частоты для вибратора без ферритов имеет резонансный характер с максимумом вблизи резонансной частоты вибратора 375 МГц (рис. 2, в). При покрытии вибратора ферритовыми кольцами его резонансная частота сдвигается в нижнюю часть диапазона.

Заметим, что в экспериментах по полю (см. схему рис. 2, а) не учитывалась частотная зависимость напряженности поля, излучаемого вспомогательным облучателем — логопериодической антенной с диапазоном рабочих частот 80—1000 МГц. Однако можно предполагать, что неравномерность ее излучения в рабочем диапазоне мала и резонансные зависимости абсолютного КП от частоты полностью определяются характеристиками исследуемого вибратора.

Следует обратить внимание на то, что усиление принимаемого вибратором сигнала вызывают ферриты, критические частоты которых лежат внутри или выше рабочего диапазона частот. Если исходить из определения критической частоты (6] и магнитной проницаемости в переменных магнитных полях [7], то участок усиления соответствует малому рассеянию энергии магнитного поля в феррите или малому ослаблению протекающих по вибратору токов, вызывающих это поле.

Исследование входного сопротивления

Для более глубокого исследования влияния ферритовых материалов на характеристики ан-

тенны регистрировались зависимости от частоты действительной и мнимой частей входного сопротивления несимметричного вибратора с феррито-выми кольцами. Эксперименты выполнялись по схеме, представленной на рис. 3, а, с использованием прибора Р4-37 (измеритель комплексных коэффициентов передачи).

Рис. 3, б и в иллюстрирует полученные результаты; вибратор был длиной 200мм безферритови с ферритами М800ВНРП (критическая частота много ниже частот рабочего диапазона), М9ВН (критическая частота выше рабочего диапазона).

Из графиков видно, что покрытие вибратора ферритовыми кольцами М800ВНРП приводит к ухудшению согласования вибратора с подключенным к нему фидерным трактом (волновое сопротивление тракта 50 Ом) во всем рабочем диапазоне. Это важная причина ослабления принимаемого вибратором сигнала.

Покрытие вибратора ферритовыми кольцами М9ВН приводит к сдвигу зависимостей вещественной и мнимой частей входного сопротивления вибратора от частоты в нижнюю часть диапазона. При этом изменяется коэффициент

согласования вибратора с подключенным к нему трактом таким образом, что лучшее согласование с выходной цепью происходит на более низких частотах. Этот эффект эквивалентен увеличению длины вибратора и может быть использован для миниатюризации антенных систем [5].

Таким образом, для ослабления излучения кабелей пригодны только ферритовые материалы со значениями критических частот, лежащими много ниже частот рабочего диапазона.

Влияние кабелей на диаграммы направленности компланарной нары

Исследовалось ослабление влияния кабеля на ДН компланарной пары рамочных антенн с помощью ферритов в диапазоне частот 100—400 МГц. Для этого требовалось измерить ДН компланарной пары по схеме рис. 2, а для пяти перечисленных ниже случаев устройства такой пары [3]:

две рамочные антенны над экраном ("чистая" компланарная пара);

пара дополнена металлическим штырем длиной 200 мм, имитирующим кабель, проходящий между рамками;

а)

б)

Р4-37

V

.Ом .......1

«00

\

/ 1 --—

-Без ферритов

--С ферритами М800ВНРП -С ферритами М9ВН

/. МГц

-Без ферритов

--С ферритами ММОВНРП -С ферритами М9ВН

Рис. 3. Измерительная схема (а) и результаты измерений частотных зависимостей действительной (б) и мнимой (в) частей входного сопротивления вибратора В- вибратор: ФК- ферритовые кольца: Э— экран: Р4-37 - измеритель комплексных коэффициентов передачи

-Чисти компланарны пара

--Компланарная пара со штырем

— Компланарная пари с намоткой на фсррнтоаый стержень Ml50ВИ

180

Чмстах компланарная пара Компланарная пара со штырем

Компланарная пара с намоткой на ферриговый стержень MI50BM

Чистая компланарная пара - — Компланарная паря со штырем

- Компланарная пара с намоткой на фсррнюяый стержень MI50HI1

Рис. 4. Влияние различных конструкций кабелей на диаграммы направленности

между рамками помещен кабель, плотно намотанный на ферритовый стержень марки М150ВН (критическая частота 25 МГц). Длина помещаемой между рамками конструкции 200 мм;

между рамками помещен свитый спиралью кабель без ферритового сердечника. Длина конструкции 200 мм;

пара дополнена металлическим штырем длиной 200 мм, полностью покрытым ферритовыми кольцами М10000НМ.

Во всех случаях измерялись ДН компланарной пары. Штырь и оплетка кабеля, помещаемые между рамками, заземлялись (соединялись с экраном).

Эффективность того или иного способа ослабления влияния удобно анализировать по графикам зависимости УПИ и ширины ДН компланарной пары от частоты (приводимые ниже графики интерполированы полиномами).

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что помещенный между рамками штырь (модель кабеля) нарушает работу компланарной пары (рис. 4, а и б): кривые УПИ и ширины ее ДН при наличии штыря лежат выше соответствующих кривых для чистой компланарной пары. Максимальное отклонение наблюдается в верхней части диапазона вблизи значения 375 МГц — резонансной частоты несимметричного вибратора длиной 200 мм. Помещая вместо штыря намотку кабеля на ферритовый стержень, получаем кривые, близкие к графикам для чистой компланарной пары. Это говорит об эффективном подавлении паразитного излучения кабеля, т. е. положительном влиянии на пелен-гационные характеристики компланарной пары.

Измерение ДН для конструкции, включающей свитый спиралью кабель (без ферритового стержня), помешенный между рамками, выяви-

в) Частота 215 МГц г) Частота 400 МГц

а) Зависимость УПИ компланарной пары от частоты

Частота, МГц

- Частая ко<шаиар«аяаара

--Кошияиарная пара си штырем

--Комяланаряая пара с намоткой иа ферритовый стержень М1ЗДВН

— - Комяланарнаяяарасоигтирем.аокрытымферритояымикальяямиМЮОООНМ

-  - Компланарная uapa с иамогко46е1феррмтоао( о стержня

Ширина ДН

х 1М ч

200 260 300

Частота, МГц

яо, что для эффективного ослабления паразитного излучения обязательно наличие ферритово-го сердечника в таком кабеле. Отклонение полученной частотной зависимости УПИ от соответствующей кривой для чистой компланарной пары иллюстрирует рис. 4, а.

Было проведено экспериментальное сравнение двух способов ослабления паразитного излучения: с металлическим штырем, покрытым ферритовыми кольцами, и с кабелем, намотанным на ферритовый стержень (рис. 4, а). Установлено, что оба предложенных способа эффективны, но ферритовый стержень М150ВН лучше восстанавливает пеленгационные характеристи-

ки КП во всем рабочем диапазоне частот, чем ферритовые кольца М10000Н М.

Эффективность предложенных конструктивных решений иллюстрируют ДН на двух частотах (рис. 4, в, г) для разных модификаций компланарной пары: "чистой", с металлическим штырем длиной 200 мм, и с намоткой кабеля на ферритовый стержень М150ВЧ (длина конструкции 200 мм).

Таким образом, применениеферритовых материалов разного вида (колец и стержней) со специально подобранными параметрами позволяет избежать искажения характеристик излучения антенных систем УКВ-диалазона многоярусных антенных комплексов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Горбунов В.П., Новиков Ю.Н. Антенная система радиопеленгатора, работающего в сложной электромагнитной обстановке // XXXIII Неделя науки СПбГПУ. Ч. VI: Матер. Всерос. межвуз. науч.-техн. конф. студ. и асп. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2005. С. 10-12.

2. Серединский Ю.В., Горбунов В.П., Новиков Ю.Н. Применение ферритов для ослабления влияния кабелей в многоуровневых антенных комплексах // XXXVI Неделя науки СПбГПУ. Ч. VI: Матер. Всерос. межвуз. науч.-техн. конф. студ. и асп. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2008. С. 3-5.

3. Серединский Ю.В., Горбунов В.П., Новиков Ю.Н. Применение ферритовых стержней для ослабления влияния кабелей в многоуровневых антенных комплексах // XXXVII Неделя науки СПбГПУ

Ч. VI: Матер. Всерос. межвуз. науч.-техн. конф. студ. и асп. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2008. С. 3-5.

4. Ott Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. М.: Мир, 1979. 318 с.

5. Горбунов В.П., Ссрединский Ю.В., Новиков Ю.Н. Увеличение эффективности несимметричного вибратора с помощью ферритовых колец // Труды СПбГПУ. 2008. № 507. С. 42-47.

6. Электронный каталог магнитомягких ферритов ([Электронный ресурс): каталог содержит сведения о ферритовых материалах, производимых ОАО "НИИ ФЕРРИТ-ДОМЕН": http:// www.ferrite-domen.com).

7. Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. A.M. Прохоров. М.: Сов. энциклопедия, 1984. 944 с.

УДК 621.37

В.А. Сороцкий, М.А. Уткин

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СВЯЗИ АНТЕНН РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА ПРОЦЕССЫ В КЛЮЧЕВЫХ ГЕНЕРАТОРАХ

Переход на современную элементную базу, а также использование более совершенных схемотехнических решений при реализации ключевых генераторов (КГ), используемых в качестве усилителей мощности радиопередающих устройств (РПлУ), открывают возможности для уменьшения массогабаритных характеристик

оборудования существующих радиоцентров и создают предпосылки их модернизации, в том числе путем размещения в существующей инфраструктуре этих центров дополнительных радиопередатчиков. С учетом изложенного представляется целесообразным исследование особенностей совместного функционирования