Широкополосная рамочная антенна

 

Использование: при измерении переменных и импульсных магнитных полей в широком частотном диапазоне. Сущность изобретения: антенна содержит магнитосвязанные первичную короткозамкнутух спираль 1 и вторичную многовитковую тороидальную катушку 2 индуктивности. Тороидальная катушка индуктивности намотана равномерно по периметру кольцевого сердечника 3 и имеет выводы для подключения нагрузки 4. Спираль 1 выполнена в виде широкой металлической ленты или из отдельных изолированных параллельных проводников и коаксиальна тороидальной катушке 2 индуктивности. Цель - улучшение пространственного и временного разрешения антенны и увеличение ее КПД. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для измерения переменных и импульсных магнитных полей естественного и искусственного происхождения.

Известна широкополосная рамочная антенна, которая является прототипом и содержит магнитно-связанные первичный короткозамкнутый и вторичный многовитковый контуры. Вторичный многовитковый контур выполнен в виде тороидальной катушки индуктивности, намотанной на кольцевой ферритовый сердечник и соединенной концами с коаксиальным кабелем и регистратором. Первичный короткозамкнутый контур представляет собой одновитковую рамку, продетую в окно ферритового сердечника и изолированную от тороидальной катушки индуктивности. При измерении одновитковая рамка ориентируется своей плоскостью поперек вектора магнитного поля. Благодаря сочетанию функций собственно антенны и согласовующего трансформатора тока, широкополосная рамочная антенна имеет малые активное сопротивление и уровень шумов, хорошо защищена от действия электрических помех и лучше согласована с нагрузкой.

Недостатки широкополосной рамочной антенны: ограниченное пространственное и временное разрешение вследствие больших размеров приемной короткозамкутой рамки, малые КПД и выходное напряжение антенны по причине слабой магнитной связи между приемной рамкой (первичным контуром) и согласующей катушкой индуктивности (вторичным контуром), трудное расчетное определение параметров антенны из-за сложности и многосвязности ее геометрии.

Технический результат улучшение пространственного и временного разрешения антенны и увеличение ее КПД.

Технический результат достигается тем, что в широкополосной рамочной антенне, содержащей магнитно-связанные первичный короткозамкнутый контур и вторичный многовитковой контур в виде тороидальной катушки индуктивности на сердечнике, первичный контур выполнен в виде спирали, коаксиальной тороидальной катушке индуктивности. Спираль может быть выполнена из ленточного проводника или расщепленной (из отдельных изолированных проволок). Один из выводов тороидальной катушки индуктивности соединен гальванически со спиралью.

На фиг. 1 показана конструкция широкополосной рамочной антенны; на фиг. 2 ее эквивалентная электрическая схема; на фиг. 3 осциллограмма выходного сигнала с опытного образца рамочной антенны при ее работе в образцовой полосковой линии (развертка осциллографа 0,1 мкс/дел, чувствительность осциллографа 2 мВ/дел).

Широкополосная рамочная антенна содержит (фиг. 1) магнитно-связанные первичный короткозамкнутый контур 1 и вторичный многовитковый контур 2. Вторичный многовитковой контур представляет собой тороидальную катушку индуктивности, намотанную равномерно по периметру ферритового сердечника 3. Число витков тороидальной катушки n₂ 50-200, материал провод ПЭВ-2 диаметром 0,3-0,5 мм. Выводы тороидальной катушки индуктивности соединены с резистивной нагрузкой 4 величиной 50-75 Ом (согласованным радиочастотным кабелем). Первичный короткозамкнутый контур 1 выполнен в виде ленточной спирали, охватывающей тороидальную катушку 2 и ей коаксиальной. Число витков ленточной спирали n₁ 1-6, материал медь толщиной 0,1-0,3 мм. Для удобства намотки и снижения активного сопротивления спираль 1 можно выполнять из отдельных изолированных параллельных проволок.

Эквивалентная электрическая схема предлагаемой широкополосной рамочной антенны близка к электрической схеме трансформатора тока (фиг. 2), где ε₁ ЭДС, возбуждаемая внешним магнитным полем в первичном контуре антенны; L₁ и L₂ индуктивность первичного и вторичного конту- ров антенны; К_св и М К_св коэффициент магнитной связи и взаимоиндуктивность между первичным и вторичным контурами антенны; R₂ активное сопротивление вторичного контура антенны; R_н активное сопротивление нагрузки антенны. Активным сопротивлением первичного короткозамкнутого контура и емкостями первичного и вторичного контуров антенны пренебрегают вследствие их малости.

Работает широкополосковая рамочная антенна следующим образом.

При ориентации антенны своей плоскостью поперек вектора напряженности магнитного поля Н в первичном короткозамкнутом контуре ленточной спирали 1 индуцируется ЭДС ε₁=-μ_oх хS₁dH/dt, где μ_o=4π˙ 10^-7 Г/м магнитная постоянная; S₁ π D_1ср²/4 площадь поперечного полю окна антенны; D_1ср средний диаметр ленточной спирали, численно равный среднему диаметру ферритового сердечника 3; dH/dt скорость изменения магнитного поля.

В первичной ленточной спирали 1 и вторичной тороидальной катушке 2 возникают при этом токи I₁ и I₂, имеющие встречные поперечно-круговые направления, создающие встречные азимутальные магнитные потоки и связанные друг с другом соотношениями Если во второе уравнение системы подставить значение производной dI₁/dt из первого уравнения, то L₂- + R₂+RI₂= ε₁ или + · I₂= · ε₁ Так как постоянная времени измерения антенны τ_A L₂ (1 K_св²)/(R₂ + R_н) выбирается обычно значительно большей длительности импульса магнитного поля t_u или 1/ω_н, где ω_н нижняя граничная частота в спектре импульса магнитного поля, то в последнем уравнении можно пренебречь чле- ном · I₂ В результате для тока и напряжения во вторичном контуре антенны получаются простые соотношения: · H; Из выражения для выходного напряжения антенны U_н легко выделяются три коэффициента три наиболее важных параметра антенны:
эффективная приемная площадь S_эф= · S₁;
постоянная времени измерения τ_A=
чувствительность к магнитному полю K_н= ·
Выполнение первичного контура в виде n-витковой спирали, коаксиальной тороидальной катушке индуктивности, позволяет уменьшить диаметр антенны до диаметра тороидальной катушки и соответственно улучшить пространственное разрешение антенны и обеспечить условия точечности измерений магнитного поля, уменьшить емкость и индуктивность первичного приемного контура антенны (пропорциональные периметру этого контура) и следовательно увеличить верхнюю граничную частоту антенны или улучшить ее временное разрешение, увеличить коэффициент магнитной связи К_св между первичным и вторичным контурами антенны и вследствие этого увеличить коэффициенты передачи тока К_i и магнитной энергии К_Е из первичного контура антенны во вторичный контур и нагрузку антенны:
K_i M/L₂ К_св n₁/n₂ и K_E ≈ К_св², где n₁ и n₂ число витков первичного и вторичного контуров антенны соответственно, увеличить постоянную времени измерения антенны τ_A= M/R_н= K_св / R_н облегчить расчет и прогнозирование характеристик антенны, так как антенна максимально приближена к идеальному трансформатору тока.

Выполнение первичной спирали из ленточного проводника способствует равномерному распределению индуцированного магнитным полем тока по внутренней поверхности ленточного проводника (токи в спирали и тороидальной катушке имеют противоположные направления и притягиваются друг к другу). Соответственно уменьшаются индуктивность и активное сопротивление первичной спирали и увеличиваются верхняя граничная частота и КПД антенны.

Выполнение первичной спирали расщепленной из отдельных изолированных проволок обеспечивает еще большее снижение активного сопротивления спирали (токонесущим оказывается все сечение проволоки) и соответственно увеличение отношения ω L₁/R₁ и уменьшение нижней граничной частоты антенны, где ω частота измеряемого магнитного поля.

Формула изобретения

1. ШИРОКОПОЛОСНАЯ РАМОЧНАЯ АНТЕННА, содержащая магнитносвязанные первичный короткозамкнутый контур и вторичный многовитковый контур, выполненный в виде тороидальной катушки индуктивности с сердечником и выводами, отличающаяся тем, что первичный контур выполнен в виде спирали, коаксиальной тороидальной катушке индуктивности.

2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что спираль выполнена расщепленной.

3. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что один из выводов тороидальной катушки индуктивности гальванически соединен со спиралью.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3