ШИРОКОПОЛОСНАЯ ПРИЕМНАЯ ФЕРРИТОВАЯ АНТЕННА СДВ-СВ ДИАПАЗОНА
BROADBAND VLF-MF RANGE RECEIVING FERRITE ANTENNA

Устройство относится к радиоприемной технике и может быть использовано в области радиосвязи, радионавигации или радиопеленгации.
Для приема сигналов СДВ, ДВ и СВ диапазонов часто используют магнитные антенны (МА) с ферритовыми сердечниками, которые обладают рядом преимуществ перед антеннами электрического типа [1, 2, 3]. В частности, благодаря ферритам такие антенны имеют небольшие габариты, они менее восприимчивы к сильной электрической составляющей поля помех от близлежащих источников. Данные антенны имеют избирательную диаграмму направленности в виде «восьмерки», что обуславливает их использование для целей навигации и пеленгации.
Однако широкополосность МА невелика, их действующая высота носит явно выраженный резонансный характер с максимумом на некоторой частоте, на которой чувствительность антенны наилучшая. Поэтому для приема во всем СДВ-СВ диапазоне приходится использовать две антенны, рассчитанные на прием в каждом из диапазонов, что удорожает антенную систему и создает определенные неудобства эксплуатации.
Создание широкополосной антенны, перекрывающей непрерывно весь СДВ-СВ диапазон представляет сложную техническую задачу. Дело в том, что для достижения высокой чувствительности в СДВ диапазоне, особенно в условиях подводного приема, при использовании еще приемлемого по длине ферритового стержня (не более 1 м) обмотка на стержне должна содержать сотни витков (до 500 и более). В результате существенного увеличения индуктивности обмотки и межвитковой емкости резонансная частота антенны снижается до 100 кГц и менее, что приводит к сильному подавлению сигналов с частотами выше резонансной частоты. Кроме того, электрическая длина провода обмотки (с учетом укорочения волны вблизи феррита) на высоких частотах становится соизмеримой с длиной волны. Наведенные полем в проводе полуволны напряжений разной полярности начинают вычитаться друг из друга и приводить к снижению суммарного напряжения на выходе обмотки вплоть до нуля на некоторых частотах, что также снижает верхнюю рабочую частоту антенны.
Цель изобретения - расширение рабочего диапазона ферритовой СДВ антенны до СВ-диапазона.
Известны ферритовые антенны [1, 2], в которых с целью уменьшения межвитковой емкости обмотка на ферритовом стержне выполняется секциями. Недостатком такого решения является заметное увеличение длины обмотки при том же количестве витков.
Известна ферритовая МА [1, 3], 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 выравнивание частотной характеристики антенны в рабочем диапазоне частот. Однако расчеты для СДВ антенны показывают, что из-за фазовых сдвигов в секциях верхняя граничная частота МА ограничена несколькими сотнями килогерц.
Известны ферритовые антенны с переменным количеством витков обмотки [1, 2]. При повышении частоты приема количество витков уменьшается с помощью переключателя. Необходимость управления антенной усложняет приемный тракт. Такая антенна будет хорошо работать только с одним радиоприемником, от которого будет получать сигналы управления. Тем же недостатком будет обладать и антенна, настраиваемая, например, с помощью конденсатора переменной емкости [1].
Наиболее близким по своей техническим сущности устройством (прототипом) является ферритовая антенна [4], содержащая один широкий виток обмотки на ферритовом стержне и подключенный к нему повышающий трансформатор на ферритовом кольце с коэффициентом трансформации 1:W. Периметр сечения ферритового кольца обычно меньше периметра сечения стержня, что позволяет при том же количестве витков W уменьшить длину обмотки и тем повысить резонансную частоту антенны. Недостатком такой антенны является сложность реализации трансформатора с высоким коэффициентом трансформации (500 и выше), поскольку длина внутренней окружности колец ограничена их реальными типоразмерами и не позволяет намотать в один слой большое количество витков (более ≈200). Многослойная намотка увеличивает межвитковую емкость, а ее секционирование снижает коэффициент связи между обмотками трансформатора. Все эти факторы ухудшают широкополосность.
Для увеличения широкополосности предлагается параллельно широкому витку (шириной до 0,7 от длины стержня) включить N трансформаторов, распределенных равномерно вдоль широкого витка, а вторичные однослойные обмотки трансформаторов включить последовательно.
1
0
1
Положительный эффект от предлагаемого технического решения заключается в том, что даже при ограниченном количестве витков на одном трансформаторе W, равном, например, 200, за счет предлагаемого включения N таких трансформаторов (N≈2-5) общее количество витков W=N·W может достигать 1000. Причем будет обеспечена минимальная межвитковая емкость как за счет выполнения обмоток в каждом трансформаторе однослойными, так и за счет N-кратного секционирования (распределения между N трансформаторами) суммарной вторичной обмотки.
На фиг.1 представлен внешний вид антенны с тремя трансформаторами, где обозначены цифрами:
1 - ферритовый стержень;
2 - широкий виток с тремя параллельными выводами;
3 - трансформаторы со вторичными обмотками;
4 - выводы вторичных обмоток трансформаторов.
Антенна работает следующим образом.
вит
вит
тр
вит
1
вых
вит
1
Наведенное на широкий виток 2 напряжение U поступает одновременно на входы N параллельно включенных трансформаторов 3. Первичная обмотка трансформатора содержит один виток, который конструктивно выполнен в виде металлической гильзы, замыкающей вывод широкого витка и проходящей через внутреннее отверстие кольца. Общий ток витка I делится между выводами (между трансформаторами) приблизительно поровну. Напряжение на выходе каждого трансформатора (его вторичной обмотки) будет равно U=U W. Суммарное напряжение на выходе всех N вторичных обмоток будет равно U=U·W·N.
Широкий виток может быть выполнен из N частей с перекрытием или без перекрытия торцов, фиг.2. Каждая, из частей соединена со своим трансформатором. Такой вариант исполнения может быть проще в изготовлении, но без перекрытия торцов обладает немного меньшей широкополосностью.
Оценим выигрыш от предлагаемого технического решения. Пусть длина окружности ферритового стержня равна 10 см. Для получения необходимой чувствительности антенны требуется намотать 600 вит.обмотки на ферритовом стержне. Длина провода в этом случае составит l=10×600=6000 см=60 м. Если использовать 3 трансформатора на кольцах типоразмера 32×16×8 мм (периметр сечения р=3,2 см) с количеством витков по 200 на каждом, то общая длина обмотки составит l=20 м, что в 3 раза меньше. Это означает, что и верхняя граничная частота антенны может быть в 3 раза выше.
вит
При N>4-5 выигрыш будет уменьшаться, что связано с увеличением кратности деления тока широкого витка I между трансформаторами. Уменьшение тока через каждый трансформатор в N раз эквивалентно увеличению в N раз выходного сопротивления широкого витка для одного трансформатора. Для нормальной работы трансформатора потребуется увеличение индуктивности его первичной обмотки, например, путем наложения нескольких колец или применения колец большей толщины. Все эти меры приводят к увеличению периметра сечения кольца, а следовательно, и длины обмотки.
Использование предлагаемого технического решения позволяет расширить рабочий диапазон СДВ антенны в сторону высоких частот до СВ диапазона включительно и тем сократить необходимое количество приемных МА на объектах.
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. Патент №2256264, H01Q 7/08, 2004 г.