МАГНИТНАЯ АНТЕННА Российский патент 2000 года по МПК H01Q7/00 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве приемной антенны в радиолиниях различного назначения, например, в качестве приемных антенн в связных радиолиниях, в радиовещательных приемниках ДВ, СВ и КВ-диапазонов.

Магнитные антенны широко известны. Простейшая магнитная антенна представляет собой многовитковую антенную катушку, в которую может быть введен магнитодиэлектрический сердечник [1] . Наводимую в антенной катушке электродвижущую силу ε(y) можно определить по формуле

где λ - длина волны электромагнитного излучения;
μ - магнитная проницаемость сердечника;
n - число витков в антенной катушке;
S - площадь витка антенной катушки;
E₀ - напряженность электрического поля в центре антенной катушки;
y - угол между направлением прихода электромагнитной волны и плоскостью витка антенной катушки, т.е. перпендикуляром к магнитному сердечнику;
- постоянная, характеризующая антенную катушку.

Диаграмма направленности антенны [1] в плоскости, перпендикулярной оси сердечника (в плоскости Е) не зависит от угла прихода электромагнитной волны и имеет вид окружности. В плоскости, включающей ось сердечника, т.е. в плоскости H, направленные свойства магнитной антенны определяются множителем cos y. Диаграмма направленности антенны в этой плоскости представляет собой "восьмерку" - две касающиеся друг друга окружности. Коэффициент направленного действия D такой антенны составляет D=1,5, а ширина 2Θ_0,5 главного лепестка диаграммы направленности, измеренного на уровне половинной мощности составляет величину Увеличение направленных свойств достигнуто в магнитной антенне [2].

Эта антенна содержит N групп по N идентичных ферритовых антенн, размещенных в плоскости, определяемых дискретными значениями системы функций Уолша порядка N. Антенные катушки включены последовательно и синфазно. В каждой группе между началом катушки первой антенны и концом катушки N-ой антенны включен соответствующий баластный резистор R_j (j - номер группы антенн, j=1, N), сопротивление которого соизмеримо с внутренним сопротивлением группы ферритовых антенн R_внj на рабочей частоте. Для обеспечения стабильности формируемой диаграммы направленности антенны в целом необходимо выполнить условие R_внj>R_j. Выбором сопротивлений балансных резисторов и углов поворота ферритовых антенн осуществляется пространственная фильтрация принимаемых электромагнитных колебаний в соответствии с методом инверсной фильтрации на базе полной системы ортогональных функций Уолша. Магнитную антенну [2] можно выбрать в качестве прототипа.

Недостаток прототипа состоит в уменьшении коэффициента усиления антенны из-за снижения мощности принимаемого сигнала ε(y) вследствие тепловых потерь в балластных резисторах R_j, что эквивалентно снижению коэффициента полезного действия антенны. Снижение коэффициента полезного действия и пропорционального ему коэффициента усиления будет тем больше, чем более жестко будет выполняться неравенство R_внj>R_j, т.е. чем более стабильную диаграмму направленности требуется получить.

Цель данного изобретения состоит в увеличении коэффициента полезного действия антенны и пропорционального ему коэффициента усиления антенны при неизменной диаграмме направленности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство дополнительно введен высокочастотный трансформатор с (N+1) обмотками. Каждая j-ая обмотка (j=1,N) трансформатора соединена с соответствующей j группой последовательно и синфазно соединенных N-числа ферритовых антенн. N число ферритовых антенн в j-ой группе антенн генерирует электродвижущую силу, пропорциональную j-ой компоненте пространственного (по углу y прихода электромагнитной волны в плоскости Н) спектра в выбранном базисе секвентных ортогональных функций с учетом диаграммы направленности простейшей ферритовой антенны и началом угловой координаты у относительно перпендикуляра к первой (i=1) ферритовой антенне. Так как общее число групп равно N и ориентация антенн в каждой группе подчиняется закону изменения соответствующей функции полной системы секвентных ортогональных функций порядка N, на первых N обмотках высокочастотного трансформатора будут действовать N число электродвижущих сил, пропорциональных полному пространственному спектру (по углу y) в выбранном базисе ортогональных функций. Улучшить пространственное разрешение такой антенной системы можно за счет применения метода инверсной фильтрации. Для этого полученные компоненты j пространственного спектра взвешиваются друг относи тельно друга путем выбора количества витков в соответствующей j-ой обмотке (j= 1, N) высокочастотного трансформатора. Высокочастотный трансформатор суммирует взвешенные электродвижущие силы, что эквивалентно вычислению первой компоненты обратного преобразования в заданном базисе секвентных функций. Так как суммируемые электродвижущие силы уже были взвешены путем выбора числа витков, суммарная электродвижущая сила будет соответствовать по своей форме диаграмме направленности ферритовой антенны, скорректированной в области пространственных (по углу y) частот. Соответствующим выбором можно достичь сужения диаграммы направленности по сравнению с исходным, причем чем больше N² используемых антенн, тем большего сужения можно достичь. Отдельная N+1 обмотка высокочастотного трансформатора служит выходом магнитной антенны и предназначена для согласования антенны с приемником. Так как в магнитной антенне отсутствуют активные балластные резисторы, на которых непроизводительно раcходуется мощность полезного сигнала, коэффициент полезного действия заявляемой антенны будет выше коэффициента полезного действия антенны-прототипа. Соответствующим образом увеличится коэффициент усиления заявляемой антенны по сравнению с прототипом.

Структурная схема заявляемой антенны представлена на чертеже.

Магнитная антенна состоит из N² (N групп по N антенн в каждой) идентичных ферритовых антенн 1 каждая. Каждая i-ая ферритовая антенна 1 j-ой группы (i, j= I, N) состоит из ферритового стержня 2 с намотанной на нем антенной катушки 3. Антенные катушки 3 ферритовых антенн в каждой j-ой группе соединены последовательно и синфазно. Длина каждого ферритового стержня 2 значительно больше его поперечного сечения.

Для устранения взаимного влияния ферритовые стержни 2 разнесены один относительно другого на некоторое расстояние, значительно меньшее длины волны электромагнитного излучения. Все ферритовые стержни размещены в плоскости Н и повернуты относительно первого в каждой j группе на угол

где Wal (i, j) - i-ое дискретное значение j-ой функции полной системы секвентных ортогональных функций размера N, например функций Уолша;
int[(l-1)/N]- знак вычисления целой части (l-1)/N:
β - угол поворота между соседними ферритовыми антеннами; l=i+(j-1)N;

Начало первой (i=1) антенной катушки 3 в каждой j-ой группе ферритовых антенн 1 соединено с началом j-ой обмотки 4 высокочастотного трансформатора 5. Конец j-ой обмотки 4 высокочастотного трансформатора 5 подключен к концу катушки 3 последней, N-ой ферритовой антенны 1 в j-ой группе. Кроме того, высокочастотный трансформатор 5 содержит отдельную N+1 обмотку, выходы которой служат выходом магнитной антенны.

Работает магнитная антенна следующим образом. Электромагнитное поле наводит в антенной катушке 3 каждой i-ой ферритовой антенны 1 j-ой группы антенн переменную электродвижущую силу с амплитудой.

ε_i,j(y₁) = C•cos(y-α_i),
где y - угол прихода электромагнитной волны в плоскости H по отношению к нормали к сердечнику 2 первой i=1 ферритовой антенны 1;
cos - функция, определяемая характером диаграммы направленности, в плоскости H ферритовой антенны 1;
C - коэффициент пропорциональности.

Электродвижущие силы, наводимые в антенной катушке 3 каждой ферритовой антенны 1 j-ой группы антенн суммируются друг с другом и поступают на j-ую обмотку 4 высокочастотного трансформатора 5.

Так как все ферритовые антенны 1 размещены в фазовом центре магнитной антенны (за счет разнесения их на расстояния, значительно меньшие длины волны излучения), суммирование возбуждаемых электродвижущих сил заключается в суммировании их амплитуд. Электродвижущая сила на входе j-ой обмотки 4 трансформатора 5

будет пропорциональна j-ой компоненте пространственного (по y) спектра в заданном базисе функций. С учетом того, что каждая j-ая обмотка 4 высокочастотного трансформатора 5 имеет M_j витков, амплитуда напряжения U_Σ на выходной обмотке 6 высокочастотного трансформатора 5 может быть представлена следующим выражением

где B - коэффициент пропорциональности, определяемый свойствами трансформатора 5;
M_вых - число витков в выходной обмотке 6 трансформатора 5.

Вычисление U₅(y) эквивалентно вычислению первого значения обратного преобразования в заданном базисе Wal(i,j). Изменяя количество витков М_j в каждой j-ой обмотке 4 трансформатора 5 можно взвешивать спектральные составляющие пространственного спектра в заданном базисе ортогональных секвентных функций Wal(i,j), то есть осуществлять частотную коррекцию пространственного спектра, что эквивалентно коррекции характеристики направленности магнитной антенны в пространственной области. В частности, можно подобрать такие значения количества витков М_i, обмоток 4, при которых главный лепесток характеристики направленности сузится, что будет соответствовать улучшению пространственной избирательности и увеличению направленного действия магнитной антенны по сравнению с обычной ферритовой антенной. Отсутствие в составе магнитной антенны балластных резисторов увеличивает ее коэффициент полезного действия и, соответственно, коэффициент усиления.

Источники информации
1. Г. Н. КОЧЕРЖЕВСКИЙ. Антенно-фидерные устройства. -М.: Радио и связь, 1981.

2. Е.И. ШАБАКОВ. Магнитная антенна. А.c.СССР N 1807541, 1992 г. М. Кл. H 01 Q 7/00.

Использование: приемная антенна в связных радиолиниях СДВ, ДВ, СВ, KB-диапазонов. Техническим результатом является увеличение КПД антенны и пропорционального ему коэффициента усиления антенны при неизменной диаграмме направленности. Сущность изобретения: антенна содержит N групп по N ферритовых стержней, на каждом из которых размещена соответствующая антенная катушка, при этом антенные катушки в каждой группе соединены последовательно и синфазно, а соответствующая группе обмотка высокочастотного трансформатора включена между началом первой и концом последней антенной катушки соответствующей группы. Каждый i-й стержень в каждой j-й группе повернут относительно первого (i=1) на угол, соответствующий i-му значению j-й функции Уолша, а дополнительная обмотка высокочастотного трансформатора служит выходом магнитной антенны в целом. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Магнитная антенна, содержащая N групп по N ферритовых стержней, причем каждый i-й ферритовый стержень в каждой j-й группе i, j = повернут относительно первого (i=1) на угол α_i, выбираемый из соотношения

где Wal(i, j) - i-е значение j-й функции полной системы функций Уолша размера N;
int[(l-1)]/N] целая часть (l-1)/N;
l=i+(j+1)N;
β - угол поворота между соседними ферритовыми сердечниками в группе,
а на каждом ферритовом стержне размещена соответствующая антенная катушка А(i, j), при этом антенные катушки в каждой j-й группе соединены последовательно и синфазно, отличающаяся тем, что дополнительно введен высокочастотный трансформатор с N+1 обмотками, причем начало каждой j-й обмотки высокочастотного трансформатора соединено с началом первой катушки (i=1) j-й группы ферритовых стержней, конец каждой j-й обмотки высокочастотного трансформатора подключен к концу последней катушки (i=N) j-й группы ферритовых стержней, а N+1 обмотка высокочастотного трансформатора служит выходом магнитной антенны в целом. 2. Магнитная антенна по п.1, отличающаяся тем, что j-е обмотки высокочастотного трансформатора (j=1,N) соединены последовательно.