ФЕРРИТОВАЯ АНТЕННА Российский патент 2009 года по МПК G01R33/06 

Изобретение относится к области широкополосных антенн от низкочастотного до ВЧ диапазонов волн и может использоваться в радиоприемных устройствах и датчиках для измерения напряженности магнитного поля.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является ферритовая магнитомодуляционная антенна (ММА), состоящая из двух соосных ферритовых стержней, на каждом из которых выполнено по одной приемной катушке, между которыми включен тороидальный сердечник с обмоткой накачки, подключенный к генератору накачки [1]. Этот сердечник с обмотками накачки и генератором накачки образуют модулятор. При прохождении по обмотке накачки тока накачки

создается переменное магнитное поле частоты ω_н с амплитудой

где w_м - число витков обмотки модулятора; D_cp - средний диаметр сердечника модулятора.

При воздействии внешнего сигнала с напряженностью

где Н_c, ω_с - амплитуда и частота внешнего сигнала соответственно, переменное магнитное поле накачки вызывает изменение как магнитной проницаемости модулятора, так и сердечника антенны в целом.

В результате даже при малой нелинейности сердечника на выходе каждой из приемных катушек образуется ЭДС, как в обычном параметрическом усилителе

где E_c=μ_cp·μ₀·w_c·S·ω_c·H_c - амплитуда напряжения частоты ω_с; μ_ср - среднее значение магнитной проницаемости сердечника; μ₀=4·π·10^-7 Гн/м - магнитная проницаемость свободного пространства; w_c - число витков каждой из сигнальных обмоток; S - площадь сечения сердечника; m=Δμ/μ_cp - глубина модуляции магнитной проницаемости сердечника; Δμ - изменение проницаемости сердечника.

Из (4) следует, что спектр напряжения ММА содержит составляющие с частотами ω_с, ω_н, ω_н±ω_c. При этом для получения большого коэффициента преобразования

необходимо выполнение условий: ω_н>>ω_с, μ_cp>>1, а глубина модуляции m<1 выбирается из условия устойчивой работы устройства.

Как известно, требованию μ_cp>>1 удовлетворяют ферриты с небольшим значениями граничных частот (до нескольких МГц), поскольку с ростом частоты происходит резкое уменьшение магнитной проницаемости и возрастание потерь в феррите. Поэтому частота накачки f_н=ω_н/2·π также реально не превышает нескольких МГц, а частота f_c=ω_c/2π при этом как минимум на порядок меньше. Следовательно, ферритовые ММА являются низкочастотными.

В процессе перемагничивания сердечника модулятора образуется и высокий уровень шумов. Для его уменьшения, как известно, требуются сердечники с большим значением μ и низким значением коэрцитивной силы. Этому требованию удовлетворяют низкочастотные ферриты. В результате не обеспечиваются условия работы устройства в области достаточно высоких частот.

Поскольку ферритовая антенна содержит тороидальный сердечник с обмоткой накачки и соосные ферритовые стержни, требующие специальной обработки их торцов для обеспечения малого магнитного сопротивления, то она не технологична при производстве.

Таким образом, устройство [1] является низкочастотным, с большим уровнем шумов и нетехнологичным.

Изобретение направлено на расширение полосы рабочих частот в область более высоких частот, уменьшение уровня шумов и повышение технологичности.

Это достигается тем, что в ферритовую антенну, содержащую генератор накачки, ферритовый стержень с размещенным на нем первой и второй приемными катушками, соединенными последовательно, и первый конденсатор, включенный параллельно этим приемным катушкам, образующий вместе с приемными катушками колебательный контур с первым и вторым выводами, введены трансформатор связи с первичной и вторичной обмотками, выполненный автономно от первой и второй приемных катушек и ферритового стержня, при этом первичная обмотка этого трансформатора подключена к генератору накачки, а его вторичная обмотка подсоединена к точке соединения первой и второй приемных катушек, катушка индуктивности, выполненная автономно от первой и второй приемных катушек и ферритового стержня, первый вывод которой подключен к точке соединения первой и второй приемных катушек, полупроводниковый диод, анод которого соединен со вторым выводом катушки индуктивности, транзистор, коллектор которого подключен к катоду полупроводникового диода, а эмиттер соединен с общей точкой, а также цепь коммутации, состоящая из резистора, первый вывод которого подсоединен к первому выводу катушки индуктивности, а второй его вывод подключен к базе транзистора, и второго конденсатора, включенного между базой транзистора и общей точкой, при этом первый вывод колебательного контура подключен к общей точке, а второй его вывод является выходом ферритовой антенны.

На фиг.1 приведена схема ферритовой антенны. Устройство содержит генератор накачки 1, ферритовый стержень 2 с размещенными на нем первой и второй приемными катушками 3 и 4, соединенными последовательно, и первый конденсатор 5, включенный параллельно этим приемным катушкам и образующий вместе с приемными катушками колебательный контур с первым и вторым выводами, трансформатор связи с первичной и вторичной обмотками 6 и 7, выполненными автономно от первой и второй приемных катушек 3 и 4 и ферритового стержня 2, при этом первичная обмотка 6 этого трансформатора подключена к генератору накачки 1, а его вторичная обмотка 7 подсоединена к точке соединения первой и второй приемных катушек 3 и 4, катушку индуктивности 8, выполненную автономно от первой и второй приемных катушек 3 и 4 и ферритового стержня 2, первый вывод которой подключен к точке соединения первой и второй приемных катушек 3 и 4, полупроводниковый диод 9, анод которого соединен со вторым выводом катушки индуктивности 8, транзистор 10, коллектор которого подключен к катоду полупроводникового диода 9, а эмиттер соединен с общей точкой, а также цепь коммутации, состоящую из резистора 11, первый вывод которого подсоединен к первому выводу катушки индуктивности 8, а второй его вывод подключен к базе транзистора 10, и второго конденсатора 12, включенного между базой транзистора 10 и общей точкой, при этом первый вывод колебательного контура подключен к общей точке, а второй его вывод является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом. При подаче с генератора накачки 1 напряжения с частотой накачки ω_н по первичной обмотке 6 трансформатора связи начинает протекать ток частоты ω_н. В результате на ее выводах образуется напряжение частоты ω_н, а на его вторичной обмотке 7 образуется напряжение u_L (фиг.2, а), приложенное к первой приемной катушке 3 и цепи, состоящей из последовательно соединенных катушки индуктивности 8, полупроводникового диода 9 и транзистора 10. Кроме этого напряжение u_L прикладывается и к цепи коммутации, состоящей из резистора 11 и второго конденсатора 12. В результате этого на базу транзистора 10 воздействует коммутирующее напряжение u_ком (фиг.2, а). Поскольку напряжение u_ком снимается с конденсатора (реактивного элемента), то оно по отношению к напряжению u_L сдвинуто по фазе (фиг.2, а) на угол, равный 90°.

На интервале времени 0...t₁ ¹ u_ком<Е' (Е' - напряжение отсечки транзистора, которое для упрощения пояснений (фиг.2, а) принято равным нулю). Поэтому транзистор 10 заперт и через катушку индуктивности 8 ток не протекает. В результате катушка индуктивности 8 к первой приемной катушке 3 не подключена. Из этого следует, что эквивалентная индуктивность цепи между первым выводом колебательного контура и точкой соединения первой и второй приемных катушек 3 и 4 равна L'_э(t)=L_1C=L₁·L_C/(L₁+L_C), где L₁ - индуктивность первой приемной катушки 3; L_C - индуктивность вторичной обмотки 7 трансформатора связи, а индуктивность антенны L'_ЭА(t)=L_1C+L₂, где L₂ - индуктивность второй приемной катушки 4 (фиг.2, б). Эта индуктивность является также индуктивностью антенного колебательного контура, образованного первой и второй приемными катушками 3 и 4 совместно с первым конденсатором 5.

На интервале времени t₁ ¹...t₂ ¹ u_ком>Е'. Поэтому транзистор 10 открыт и через катушку индуктивности 8, полупроводниковый диод 9, коллектор-эмиттер транзистора 10 протекает коммутационный ток i_ком (фиг.2, б), амплитуда и форма которого определяются соотношением , где L_ком - индуктивность катушки индуктивности 8.

Таким образом, на интервале времени t₁ ¹...t₂ ¹ напряжением u_ком происходит подключение катушки индуктивности 8 параллельно первой приемной катушке 3. В результате этого эквивалентная индуктивность цепи между первым выводом колебательного контура и точкой соединения первой и второй приемных катушек 3 и 4 уменьшается и становится равной L''_э(t)=L_1C·L_ком/[L_1C+L_ком), что приводит к уменьшению эквивалентной индуктивности антенны L''_ЭА(t), к уменьшению индуктивности колебательного контура на величину

Такое периодическое подключение катушки индуктивности 8 к первой приемной катушке 3 и, соответственно, к антенному колебательному контуру происходит и на других интервалах времени t₁ ²...t₂ ² и т.д. (фиг.2, б).

При настройке антенного колебательного контура на частоту ω_н через него начинает протекать ток i_С частоты ω_н (фиг.2, в). Увеличение тока i_С за счет уменьшения индуктивности L_ЭА(t) антенного колебательного контура на величину ΔL_ЭА(t) происходит в моменты t₁ ¹, t₁ ² и т.д., когда ток i_C проходит через максимум. При этом, как следует из законов коммутации, ток в катушке индуктивности не может измениться мгновенно, а на конденсаторе мгновенно не может измениться напряжение, то в моменты коммутации t₁ ¹, t₁ ² и т.д. (фиг.2, в) происходит мгновенное изменение амплитуды тока i_C (фиг.2, в) на величину Δi_C. В результате в антенный колебательный контур вносится электрическая энергия.

С другой стороны переход индуктивности L_ЭА(t) антенного колебательного контура в исходное состояние происходит в моменты времени t₂ ¹, t₂ ² и т.д., при которых мгновенные значения тока i_C=0. При таком условии потери в контур не вносятся.

Следовательно, за счет периодического автоматического изменения эквивалентной индуктивности L_ЭА(t) антенного колебательного контура в течение каждого периода ВЧ-колебаний частоты ω_н в него вносится энергия, которая частично компенсирует потери в контуре, что и обуславливает параметрический эффект. В результате при воздействии внешнего магнитного поля (3) образуются комбинационные составляющие с частотами ω_н±ω_с, которые определяют полезный эффект преобразования. При этом коэффициент преобразования антенны определяется соотношением

где m_A=ΔL_ЭА/L_ЭАср - глубина модуляции индуктивности антенного контура; Q_A=ω_НL_cp/r_A - добротность антенного контура; L_ЭАср=L_1C(L_1C+L_ком)/2(L_1C+L_ком)+L₂ - средняя индуктивность антенного контура; r_A - потери в антенном контуре.

Как следует из (7), коэффициент преобразования K_{пр A} зависит от глубины модуляции m_A, добротности контура Q_A и отношения частот ω_н/ω_с. Поэтому, для обеспечения большого значения K_{пр A} необходимо увеличивать частоту ω_н. В заявляемом устройстве значение частоты ω_н можно выбрать значительно большим, чем в устройстве [1], и обеспечить при этом достаточно большое значение K_{пр A}. Это обусловлено тем, что сердечник, на котором выполнены первичная и вторичная обмотки 6 и 7 трансформатора связи, и катушки индуктивности 8 в заявляемом устройстве используются для создания жесткости конструкции, уменьшения габаритов и повышения добротности. При этом сердечники первичной и вторичной обмоток 6 и 7 трансформатора связи и катушки индуктивности 8 работают в линейном режиме, что принципиально отличает работу заявляемого устройства от устройства [1]. Это позволяет конструктивно реализовать в нем малые потери r_A даже на очень высоких частотах f_н, если в качестве материала сердечников трансформатора связи и катушки индуктивности 8 использовать высокочастотные ферриты. В результате эти сердечники не создают дополнительных спектральных составляющих, а также шумов перемагничивания и практически не вносят дополнительных потерь в антенный контур. Поэтому потери в этом колебательном контуре определяются в основном потерями в ферритовом стержне, на котором выполнены приемные катушки 3 и 4. В результате частота накачки f_н может составлять сотни МГц и более, а частоту сигнала f_c также можно увеличить во много раз по сравнению со значением этой частоты в устройстве [1]. При этом реализуется большой коэффициент преобразования (7) и при бóльших значениях частоты f_c, чем это достигается в устройстве [1], за счет изменения магнитной проницаемости ферритовых стержней (5).

При очень высоких частотах накачки f_н (вплоть до СВЧ-диапазона) конструктивно трансформатор связи и катушку индуктивности 8 можно выполнить и без ферромагнитного сердечника с малыми потерями и габаритами. В этом случае как частота f_н, так и частота f_c могут быть существенно увеличены.

На работу устройства могут влиять и параметры транзистора 10. Для обеспечения работоспособности устройства в области высоких частот необходимо выбрать транзистор 10 с большой граничной частотой f_т (f_т - справочная величина, которая для современных транзисторов составляет как минимум несколько ГГц). Кроме этого необходимо, чтобы переключение транзистора 10 происходило в моменты времени, когда через него ток не проходит и i_ком=0 (фиг.2, б). В этом случае коммутационные потери в транзисторе 10 не возникают. Чтобы это условие реализовать, необходимо выбрать параметры резистора 11 и второго конденсатора 12 такими, чтобы фазовый сдвиг между напряжениями u_L и u_ком был близким к 90°. Для реализации такого фазового сдвига необходимо, чтобы сопротивление резистора 11 приблизительно на порядок превышало реактивное сопротивление второго конденсатора 12. Такое условие также реализуемо на практике.

Кроме этого подключение и отключение катушки индуктивности 8 к приемной катушке 3 происходит при i_ком=0. Поэтому не возникают при этом дополнительные шумы, что позволяет существенно снизить уровень шумов в заявляемом устройстве по сравнению с [1], поскольку при таком условии уровень шумов определяется шумами первой и второй приемных катушек.

Для обеспечения работоспособности устройства необходимо обеспечить и оптимальный режим работы транзистора 10. Так, чтобы транзистор 10 полностью открывался, на его вход с конденсатора 12 необходимо подать напряжение с амплитудой 1...1,5 В. При этом сопротивление транзистора в открытом состоянии минимально и равно его сопротивлению насыщения. При таком условии в антенный колебательный контур вносятся минимальные потери.

Следовательно, транзистор 10 практически не оказывает влияния на работу устройства вплоть до частот (0,3-0,5)·f_т и поэтому частота накачки f_н заявляемого устройства может составлять сотни МГц и более, а частота сигнала f_c увеличена до нескольких десятков МГц.

Коэффициент трансформации трансформатора связи выбирается таким образом, чтобы внутренне сопротивление генератора накачки 1 не вносило потерь в антенный колебательный контур, а амплитуда напряжения u_L - такой величины, чтобы обеспечить переключение транзистора 10. Практически амплитуда напряжения u_L должна составлять около 5-10 В.

Глубина модуляции m_A=ΔL_ЭА/L_ЭАср рассчитывается известными методами с использованием (6) из условия устойчивой работы параметрических устройств исходя из потерь r_A в антенном колебательном контуре. Поскольку в заявляемом устройстве катушки индуктивности обмоток 6 и 7 трансформатора связи и катушки индуктивности 8 работают в линейном режиме, то потери в них при оптимальном выборе материала сердечников минимальны и определяются достаточно точно по справочным параметрам материала сердечников. Поэтому и необходимое значение коэффициента модуляции m_A также рассчитывается достаточно точно. Кроме этого в процессе эксплуатации параметры линейных катушек изменяются меньше, по сравнению со случаем, когда режим работы ферритового сердечника нелинейный [1]. Поэтому заявляемое устройство в процессе эксплуатации работает более устойчиво и надежно.

Известное устройство [1] не технологично в процессе производства. Это обусловлено тем, что сердечник этого устройства состоит из ферритового кольца с обмоткой накачки на нем и двух ферритовых стержней, расположенных соосно, а на каждом из них выполнено по одной приемной катушке. При этом для обеспечения малого магнитного сопротивления с ферритовым кольцом плоскости этих стержней полируются и склеиваются ферромагнитным клеем. Поэтому такая конструкция не технологична при производстве.

В заявляемом устройстве обе приемные катушки выполнены на одном ферритовом стержне. При этом не требуются соосность и высокая точность обработки его торцевых поверхностей, а трансформатор связи и катушку индуктивности 8, обеспечивающую параметрический эффект, необходимо выполнять автономно (отдельно) от ферритового стержня 2 либо на ферритовом стандартном сердечнике или другой произвольной формы, обеспечивающих малые потери, либо на сердечниках из другого не ферромагнитного материала, обеспечивающих только жесткость конструкции. При этом достигается более простая конструкция устройства и более высокая технологичность изготовления этих катушек и всего устройства.

Отмеченные конструктивные и технологические особенности заявляемой ферритовой антенны свидетельствуют о ее значительно большей технологичности по сравнению с известными ММА.

В принципе возможна реализация устройства, когда заземленным является второй вывод второй приемной катушки. При этом выходом ферритовой антенны должен быть первый вывод первой приемной катушки. Однако оба варианта схем устройств равноценны и поэтому второй вариант схемы не приводится.

Таким образом заявляемое устройство по сравнению с известными обладает существенными преимуществами и отвечает условиям промышленной применимости.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. А.с. №368560 (СССР). Ферритовый магнитомодуляционный параметрический датчик / Постников B.C., Мельников Э.А., Костров Н.А., Кушарский Е.Ю. - Опубл. 26.1.1973. Бюлл. №9.

Изобретение относится к области широкополосных антенн, начиная от низкочастотного до ВЧ диапазонов волн, и может использоваться в радиоприемных устройствах и датчиках для измерения напряженности магнитного поля. Достигаемый технический результат - расширение полосы рабочих частот в область более высоких частот, уменьшение уровня шумов и повышение технологичности. Ферритовая антенна содержит генератор накачки, ферритовый стержень с размещенными на нем приемными катушками, первый конденсатор, включенный параллельно приемным катушкам, образующий вместе с этими катушками антенный контур, трансформатор связи с первичной и вторичной обмотками, катушку индуктивности, выполненные автономно от приемных катушек, полупроводниковый диод, транзистор и цепь коммутации, состоящую из резистора и второго конденсатора. При этом выходом антенны является один из выводов антенного контура. 2 ил.

Ферритовая антенна, содержащая генератор накачки, ферритовый стержень с размещенными на нем первой и второй приемными катушками, соединенными последовательно, и первый конденсатор, включенный параллельно этим приемным катушкам, образующий вместе с приемными катушками колебательный контур с первым и вторым выводами, отличающаяся тем, что введены трансформатор связи с первичной и вторичной обмотками, выполненными автономно от первой и второй приемных катушек и ферритового стержня, при этом первичная обмотка этого трансформатора подключена к генератору накачки, а на вторичной обмотке этого трансформатора, подсоединенной к точке соединения первой и второй приемных катушек, образуется напряжение, приложенное к первой приемной катушке, катушка индуктивности, выполненная автономно от первой и второй приемных катушек и ферритового стержня, первый вывод которой подключен к точке соединения первой и второй приемных катушек, полупроводниковый диод, анод которого соединен со вторым выводом катушки индуктивности, транзистор, коллектор которого подключен к катоду полупроводникового диода, а эмиттер соединен с общей точкой, а также цепь коммутации, состоящая из резистора, первый вывод которого подсоединен к первому выводу катушки индуктивности, а второй его вывод подключен к базе транзистора, и второго конденсатора, включенного между базой транзистора и общей точкой, при этом первый вывод колебательного контура подключен к общей точке, а второй его вывод является выходом ферритовой антенны.