[1]Изобретение относится к радиоприемной технике и может быть использовано в области радиоизмерений, радиосвязи, радионавигации или радиопеленгации.
[2]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.
[3]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.
[4]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.
[5]Техническим результатом изобретения является снижение восприимчивости широкополосной приемной ферритовой антенны к электрической составляющей электромагнитного поля.
[6]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.
[7]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.
[8]На фиг.1 приведен вид на антенну сверху, антенна в сборе;
[9]На фиг.2 приведен вид на антенну сверху, вскрыта первая оболочка электрического экрана антенны;
[10]На фиг.3 приведен вид на антенну сверху, вскрыты первая и вторая оболочки электрического экрана антенны;
[11]на фиг.4 - вид сбоку.
[12]На чертежах приняты следующие обозначения:
[13]1 - стержневой ферритовый сердечник;
[14]2 - первая часть обмотки;
[15]3 - вторая часть обмотки;
[16]4 - внешняя оболочка электрического экрана;
[17]5 - диэлектрический слой;
[18]6 - внутренняя оболочка электрического экрана;
[19]7 - спиральная щель во внешней оболочке электрического экрана;
[20]8 - спиральная щель во внутренней оболочке электрического экрана;
[21]9 - электрическое соединение внешней и внутренней оболочек электрического экрана.
[22]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.
[23]Антенна работает следующим образом.
[24]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.
[25]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 Uн, пропорциональное магнитной компоненте поля, действующей вдоль оси стержневого ферритового сердечника 1
[27]где Кпр - коэффициент преобразования антенны;
[28]H(t) - изменяющаяся во времени напряженность магнитного поля.
[29]В апериодическом режиме, для которого необходимо выполняется соотношение
[31]где txap - характерное время изменения магнитного поля;
[32]L - индуктивность обмотки антенны;
[33]RH - сопротивление нагрузки антенны, для коэффициента преобразования при условии, что обмотка намотана равномерно по всей длине сердечника, с хорошей точностью можно положить
[34]
,
[35]где l - длина ферритового сердечника;
[36]N - число витков обмотки.
[37]При этом на нагрузке антенны выделяется напряжение
[38]
[39]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 Et, возбуждая щелевой зазор, наводит в нем эдс
[40]
[41]где а - ширина щелевого зазора.
[42]Щелевой зазор, обладая электрической емкостью Сщ, как источник помехового электрического сигнала через виток, образованный корпусом экрана, ферритовый сердечник и обмотку антенны оказывается магнитно связан с нагрузкой Rн. 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
[43]
[44]где M12, M21 - взаимные индуктивности первого (индекс 1) и второго (индекс 2) контуров;
[45]L1, L2 - собственные индуктивности соответствующих контуров;
[46]N1, N2 - число витков в обмотках соответствующих контуров.
[47]С учетом (3) напряжения, индуцированные на обмотках связанных контуров «1» и «2», равны
[48]
[49]
[50]где Ψ12, Ψ21 - потокосцепления взаимной индукции контуров «1» и «2»;
[51]i1, i2 - токи, протекающие в контурах «1» и «2» соответственно;
[52]Ф - магнитный поток в сердечнике антенны, обусловленный эдс (2).
[53]Отношение напряжений U1 и U2 определяет коэффициент трансформации напряжения из первого контура во второй
[54]
[55]или численно с учетом того, что N1=1, N2=N получаем
[57]где N - общее число витков обмотки антенны.
[58]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
[59]
[60]где R1 - приведенная к первому контуру нагрузка антенны.
[61]Режим работы источника эдс, связанного со щелью, зависит от некоторой граничной частоты fгр, определяемой из соотношения
[64]
[65]Если для оценки Сщ принять
[67]где d - толщина материала экрана;
[68]b - поперечный размер электрического экрана, равный диаметру его внешней оболочки 4, то в соответствии с [4] имеем
[69]
[70]Для характерных величин сопротивления нагрузки Rн=(50÷75) Ом и числа витков обмотки антенны в высокочастотном диапазоне N=(3÷5), получим из (5) примерное значение fгр≈1 ГГц.
[71]Тогда при характерном временном масштабе изменения напряженности электрического поля
[72]
[73]помеховая эдс (2) передается в нагрузку в режиме дифференцирования, а при выполнении
[74]
[75]она передается в нагрузку без искажений.
[76]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 W0≈377 Ом. С учетом соотношений (1), (2), (4) получим:
[77]- для режима дифференцирования в частотном представлении
[78]
[79]- для апериодического режима во временном представлении
[80]
[81]Обозначив относительную ошибку, обусловленную влиянием этой индуцированной на поверхности электрического экрана помехи δпом, и принимая во внимание тот факт, что понижение частоты fxap при расширении полосы антенны в сторону низких частот, как правило, пропорционально N2, из (6) и (7) можно найти диапазон возможных ошибок, который при указанных соотношениях входящих в них величин составляет
[83]Очевидно, что эти значения ошибок оказывают заметное влияние на результат преобразования напряженности магнитного поля.
[84]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 Esa 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.
[85]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]
[86]
[87]где r - расстояние от щели до рассматриваемой точки внутри оболочки экрана.
[88]С помощью выражения (8) среднее значение напряженности поперечного электрического поля, действующего внутри полости оболочки, может быть вычислено из соотношения
[89]
[90]Откуда при выполнении d/a≈1 и b>>a следует
[91]
[92]Максимальное значение помехового напряжения, наведенное на нагрузке антенны под действием поперечного электрического поля, стремится, в свою очередь, к величине
[93]
[94]При этом максимальная относительная ошибка преобразования полезного сигнала Uн на фоне помехового воздействия внутреннего поперечного электрического поля с учетом (1) и (9) составит
[95]
[96]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.
[97]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 Et на выходе из полости во внутреннее пространство внутренней оболочки будет пропорционально πb/2h, т.е., по крайней мере для оценки, можно принять
[99]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 Uпом m(Еt вн) из (9), по крайней мере, в 30 раз.
[100]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]
[101]Косл l=El/Еl вн≈25 r/b [дБ],
[102]где r - расстояние от торца электрического экрана до его поперечного сечения, в котором определяется напряженность электрического поля.
[103]Среднее значение напряженности продольного электрического поля
[104]внутри экрана с учетом того, что 
составит
[105]
[106]а максимальное значение помехового напряжения на нагрузке антенны при воздействии этой компоненты электрического поля стремится к величине
[107]
[108]В том, что касается происхождения компоненты поля Еl, 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
[109]Нант=Нcosφ; Еl=Еsinφ,
[110]где Е, Н - модули векторов магнитного и электрического поля в падающей на антенну электромагнитной ТЕМ-волне.
[111]Относительная ошибка, связанная с помеховым воздействием Еl, с учетом (1) и (10) принимает вид
[112]
[113]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
[115]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%.
[116]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%.
[117]Источники информации
[118]1. Хомич В.И. Ферритовые антенны. М., Энергия, 1969, с.29-54.
[119]2. Skidmore W.S. Electrostatically-shielded loop antenna. Патент США №2981950, Кл. 343-788, 1959.
[120]3. Ротхаммель К., Кришке А. «Антенны». Минск, Наш город, т.2, 2001, с.194.
[121]4. Гликман И.Я., Русин Ю.С. Расчет характеристик элементов цепей радиоэлектронной аппаратуры, М., Сов. радио, 1976, с.71.
[122]5. Гликман И.Я., Русин Ю.С. Расчет характеристик элементов цепей радиоэлектронной аппаратуры, М., Сов. радио, 1976, с.137.
[123]6. Уильямс Т., Армстронг К. ЭМС для систем и установок. М., Издательский дом «Технологии», 2004, с.258-259.
