МАГНИТНАЯ АНТЕННА Российский патент 1997 года по МПК H01Q7/08 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве приемной антенны специальных приемных устройств, например, в аппаратуре шахтных систем связи.

Известно приемное устройство (фиг. 1), в котором магнитные антенны включены параллельно, однако такое включение магнитных антенн не увеличивает чувствительности, т. е. на увеличивает отношение С/Ш и не улучшает избирательности устройства. Докажем отсутствия выигрыша в чувствительности.

Оценку выигрыша в чувствительности определенным из соотношения:

где P_с, P_ш, U_с, U_ш-соответственно, мощность и напряжение на выходе магнитных антенн.

Напряжение сигнала на выходе магнитной антенны определяется значением:
u_c = μ•n•ω•S•Q•H, (2)
где μ магнитная проницаемость сердечника магнитной антенны;
n число витков;
w частота настройки антенны;
S площадь витка;
Q добротность катушки магнитной антенны;
H величина действующего магнитного поля сигнала,
а напряжение шума магнитной антенны определяется из формулы:

где
K постоянная Больцмана;
T температура;
B полоса пропускания;
R_а активное сопротивление катушки антенны.

Выигрыш по чувствительности для одиночной магнитной антенны определится по формуле (1) на основании формул (2) и (3).

С учетом использования усилителя на выходе магнитной антенны напряжение сигнала после усиления:
u_c = μ•n•ω•S•Q•H•K_p, (5)
а напряжение шума после усилителя равно:

Следовательно, выигрыш в чувствительности при параллельном включении магнитных антенн с использованием усилителя на выходе магнитной антенны запишется:

На выходе сумматора выигрыш в чувствительности при параллельном включении двух магнитных антенн определится, как

В общем виде при параллельном включении m идентичных антенн формула (8) примет вид:

Сравнивая полученное выражение выигрыш с формулой (4) для одиночной магнитной антенны следует, что при параллельном включении антенн выигрыш в чувствительности определяется решением условия:

т. е. если вносимый шум усилителя больше собственного шума магнитной антенны, а этом возможно при выполнении условия:

то выигрыш в отношении с/ш нет, т.к. усилитель вносит собственный шум ухудшая отношение с/ш магнитной антенны.

Следовательно, параллельное включение магнитных антенн известным способом выигрыша в чувствительности не дает.

Известна всенаправленная приемная магнитная антенна, где используется последовательное включение двух магнитных антенн (фиг. 2) такое включение магнитных антенн увеличивает чувствительности, но не улучшает избирательности. К тому же требует увеличения (с каждой антенной) входного сопротивления приемного устройства.

Известна магнитная антенна, содержащая ферритовый стержень, на котором размещена антенная катушка, соединенная через разделительный антенный конденсатор с антенной катушкой, другим концом конденсатор, подключен к операционному усилителю, источнику отрицательного сопротивления. Антенный колебательный контур образован индуктивностью и собственной емкостью антенной катушки. Повышение чувствительности (действующей высоты) магнитной антенны достигается за счет внесения отрицательного сопротивления, позволившего увеличить число витков антенной катушки. Однако изменение числа витков магнитной антенны, при условии постоянства ее добротности (избирательности), не сказывается на чувствительности.

Недостатком магнитной антенны является низкая избирательность, низкая чувствительность, склонность к самовозбуждению и внесение шума усилителя отрицательного сопротивления. Доказательства аналогичные первому аналогу.

Известна активная магнитная антенна, состоящая из витка короткозамкнутого провода, соединенная с трансформатором напряжения. Параллельно выходным зажимам вторичной обмотки трансформатора включен малошумящий усилитель. Большое число витков вторичной обмотки трансформатора образует колебательный контур (паразитная емкость).

Недостатком известной магнитной антенны является низкая чувствительность и низкая избирательность, что следует из следующего доказательства.

Напряжение сигнала, снимаемое с зажимов магнитной антенны, равно:
u_c = μ•n•ω•S•Q_э•H, (12)
где Q_э эквивалентная добротность магнитной антенны при короткозамкнутом витке, Q_э ≈1.

Отношение с/ш определим из соотношения:

где R_а активное сопротивление короткозамкнутого витка антенны.

При параллельном включении m короткозамкнутых витков магнитной антенны выражение формулы (13) запишем в виде:

т. е. при параллельном включении m короткозамкнутых витков уменьшается активное сопротивление антенны, за счет чего растет отношение с/ш в m раз, в то же время короткозамкнутые витки уменьшают добротность в Q/Q раз. Таким образом, известная магнитная антенна не увеличивает ни чувствительности, ни избирательности.

Наиболее близкая к заявленному устройству по технической сущности является входное приемное устройство, состоящее из двух связанных контуров, электрически включенных последовательно, одним из которых (первым) может быть магнитная антенна.

Несколько лучшая по сравнению с одноконтурной входной цепью избирательность достигается за счет двухкратной потери коэффициента передачи по мощности, (на -3 дБ), чем в одноконтурной входной цепи.

Недостатком данного устройства является низкая чувствительность.

Целью предлагаемого технического решения является увеличение чувствительности магнитной антенны.

Поставленная цель достигается благодаря тому, что во входном приемном устройстве прототипа, содержащем антенную катушку и антенный конденсатор, одним из своих выводов подключенный к одному из выводов антенной катушки, введен трансформатор тока, вывода каждой первичной обмотки трансформатора тока синфазно соединены одним выводом с антенным конденсатором, а другим выводом с антенной катушкой и образуют m (m=2,3,4.) последовательно-параллельных цепей, вторичная обмотка трансформатора тока является выходной, параллельно выводам которой включен конденсатор.

Введение пассивного сумматора сигналов в виде трансформатора тока и включение его первичными обмотками в цепь настроенных в резонанс магнитных антенн позволило повысить чувствительность и сохранить высокую избирательность входного приемного устройства.

Докажем это на примере с двумя идентичными магнитными антеннами.

Напряжение сигнала на каждой из магнитной антенны запишется
u_c1 = u_c2 = μ•n•ω•S•Q•H, (15)
а напряжение шума запишется

где r_вн вносимое активное сопротивление из вторичной обмотки трансформатора тока в первичную цепь магнитной антенны,
Складывая два напряжения сигнала по известной формуле:

где γ коэффициент корреляции, в данном случае g 1, получим:
u_Σc = 2•μ•n•ω•S•Q•H. (18)
При сложении напряжения шумов получится:

Определим отношение с/ш при оптимальном согласовании двух связанных контуров:

В общем виде при использовании m (m=2,3,4.) магнитных антенн выражение ф. (20) запишется в общем виде:

Таким образом, сравнительный анализ показывает, что по сравнению с прототипом чувствительности заявленной магнитной антенны увеличивается в m раз, а избирательность сохраняется на прежнем уровне, т.е. по сравнению с аналогами обладает большей избирательностью и большей чувствительностью.

На фиг. 3 приведена заявляемая ферритовая магнитная антенна. Магнитная антенна содержит m ферритовых стержней 1, 1•m, на которых размещены антенные катушки 2, 2•m, к одним из выводом которых подключены конденсаторы 3, 3•m, а к другим выводам антенных катушек 2, 2•m и конденсаторам 3, 3•m подвключены синфазно первичные обмотки 4, 4•m трансформатора тока 5, выполненного на тороидальном сердечнике 6, к выводам вторичной обмотки 7 которого включен конденсатор 8.

Магнитная антенна работает следующим образом.

Под действием магнитного потока в антенных резонансных контурах, образованных антенными катушками 2, 2•m, антенными конденсаторами 3, 3•m и цепью первичных обмоток 4, 4•m трансформатора тока 5 возникает резонанс токов. Этот ток наводит в первичной обмотке 4 трансформатора тока 5 магнитный поток, который посредством индукции, через тороидальный сердечник 6 наводит ток во вторичной обмотке 7, совместно с конденсатором 8 образующий параллельный колебательный контур, напряжение на котором пропорционально величине ,
где N коэффициент трансформации трансформатора тока 5.

В предлагаемом устройстве за счет введения трансформатора тока получено последовательно-параллельное включение магнитных антенн, что является отличительным признаком, позволившим рационально использовать резонанс токов в антенных контурах и резонанс во вторичной обмотке трансформатора тока для сохранения высокой избирательности при суммировании энергии сигнала поступающего с антенн.

Следовательно, последовательное и параллельное включение антенных контуров со вторым связанным контуром в виде вторичной обмотки трансформатора тока и конденсатора является существенным отличительным признаком, а предлагаемое техническое решение отвечает критерию существенные отличия.

Применение заявляемого технического решения позволяет достигнуть цель изобретения увеличения чувствительности антенн при сохранении высокой избирательности.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве приемной антенны специальных приемных устройств, например, в аппаратуре шахтных систем связи. Предлагаемое техническое решение позволяет увеличить чувствительность и избирательность антенны путем суммирования сигнала, поступающего с магнитных антенн посредством использования трансформатора тока, выводы каждой первичной обмотки трансформатора тока соединены одним выводом с антенным конденсатором, а с другим выводом с антенной катушкой, образуя m (m = 2,3,4...) последовательно-параллельных цепей, вторичная обмотка трансформатора тока является выходной, параллельно выводам которой включен конденсатор. 3 ил.

Магнитная антенна, содержащая ферритовые стержни, на которых размещены катушки, и антенные конденсаторы, одним из своих выводов подключенные к одному из выводов антенной катушки, отличающаяся тем, что введен трансформатор тока, выводы каждой первичной обмотки трансформатора тока соединены синфазно одним выводом с антенным конденсатором, а другим выводом с антенной катушкой, образуя m (m 2, 3, 4) последовательно-параллельных цепей, вторичная обмотка трансформатора тока является выходной, параллельно выводам которой включен конденсатор.