Прием сверхдлинных радиоволн в домашних условиях / Habr

Сверхдлинные радиоволны — это целый мир, наполненный множеством сигналов — сфериками и свистами, генерируемыми молниями, возможно, за тысячи километров от места приема, привычными «точками» и «тире» морзянки, сигналами точного времени и цифровой передачи данных:
Сверхдлинные волны (СДВ) (ранее применялся термин «ультрадлинные волны» (УДВ)) — сигналы с частотой менее 30 кГц (по отечественной классификации). За рубежом для этого диапазона часто используются аббревиатуры VLF (very low frequency) и ELF (extremely low frequency), причем в разных источниках конкретные полосы частот для этих диапазонов различаются.Немножко историиПервый мощный СДВ-передатчик был введен в эксплуатацию в 1943 году в Германии, а «пользователями» были безбашенные (вряд ли в той войне был еще один род войск с таким процентным уровнем потерь) ребята из подводного флота Кригсмарине. Вот так выглядела СДВ-антенна на крыше рубки U-Boot:

Порог вхождения в этот мир совсем невысокий — требуется антенна, усилитель и ноутбук с соответствующим программным обеспечением. Далее я расскажу о своей немудреной снасти для приема на СДВ.

Антенна

Для приема сигналов в диапазоне единиц — десятков килогерц я использую рамочную антенну в виде квадрата с длиной стороны 26см, намотанную 50 витками эмалированного медного провода радиусом 0,1 мм с омическим сопротивлением обмотки 45 Ом):


Диаграмма направленности рамочной антенны в горизонтальной плоскости (при расположении плоскости витков вертикально) имеет вид «восьмерки»:
Если плоскость рамки параллельна направлению на радиостанцию (рамка «стоит боком»), то уровень принимаемого рамочной антенной сигнала максимален. Если же плоскость рамки перпендикулярна направлению на радиостанцию, то уровень принимаемого сигнала минимален. Это позволяет применить для определения направления на передатчик амплитудный метод с пеленгацией по минимуму (более точный, чем по максимуму). Минимум принимаемого сигнала имеет место в направлении, перпендикулярном к плоскости витков рамки. Антенна при пеленгации поворачивается до положения нулевого приема.

Усилитель

Для усиления сигнала с антенны я использую двухкаскадный усилитель (схема с общим эмиттером) на биполярных транзисторах. Вот модель этого усилителя в

LTspice:


Фотографию усилителя публиковать не буду, чтобы никому не причинить моральных страданий (он собран моим любимым методом приклеивания деталей на картон 🙂 ).
Антенна подключена к входу усилителя коаксиальным кабелем для снижения помех.

Ноутбук/нетбук

Выход усилителя подключается к аудиовходу (микрофонному либо линейному) ноутбука или нетбука. Я использую для оцифровки входного сигнала режим с частотой дискретизации 96 кГц разрядностью 16 бит.

Программное обеспечение

Для мониторинга эфира в режиме реального времени я использую программу Spectrum Lab (скачать можно здесь) версии V2.90 b14 немецкого радиолюбителя Wolfgang Büscher с позывным DL4YHF:


При первоначальной настройке я задал частоту оцифровки 96 кГц:
и расширил отображаемое окно частот на весь диапазон от 0 до 48 = 96/2 кГц:
Важную роль при настройке играет размер окна быстрого преобразования Фурье:
Ширина окна влияет на частотное и временное разрешение сигнала — при увеличении ширины окна повышается частотное разрешение, но уменьшается временное разрешение и увеличиваются вычислительные затраты на выполнение быстрого преобразования Фурье.

На приведенном ниже рисунке приведены спектрограммы сигнала при ширине окна 1024 и 8192 отсчета:


Как видно, при ширине окна 1024 отсчета отчетливо различимы границы импульсов, но частота импульсов размыта. При ширине окна 8192 отсчета четко отслеживаются центральная частота и две крайние частоты (верхняя и нижняя), но границы импульсов совершенно не различимы.
Также я баловался в MATLAB, пытаясь создать анализатор для слабых сигналов:
(GitHub — https://github.com/Dreamy16101976/VLF_MATLAB).

Примеры принятых мной сигналов

Частота 25 кГц (позывной радиостанции RJH69)
Позывной:


Сигналы точного времени:
1 — 1/10 сек, 2 — 1 сек, 3 — 10 сек, 4 — 60 сек

Частота 18,1 кГц (позывной радиостанции RDL)
Типы сигналов:


1 — Немодулированная несущая
2 — Синхросигнал (длительность периода около 60 мс)
3 — Синхросигнал (длительность периода около 40 мс)
4 — Цифровые данные
5 — Азбука Морзе (длительность одного элемента составляет 1/15 с, т.е. скорость передачи равна 18 wpm)

Позывной и начало радиограммы:


Помехи
При СДВ-приеме крайне желательно использовать батарейное питание ноутбука для снижения помех:
1 — питание ноутбука от батареи
2 — питание ноутбука от батареи, но блок питания включен в сеть;
3 — питание ноутбука от сети
Очень заметны помехи от работы электронного балласта компактных люминесцентных ламп на частоте около 40 кГц:

Такие дела 🙂 Естественно, я охватил только малую часть мира СДВ.

UPD Добавил к статье видеоиллюстрацию — https://youtu.be/cN-cLu3QIJk

habr.com

широкополосная приемная ферритовая антенна сдв-св диапазона - патент РФ 2452063

Изобретение относится к радиоприемной технике и может быть использовано в области радиосвязи, радионавигации или радиопеленгации. К широкому витку широкополосной приемной ферритовой антенны через N>1 его параллельных выводов, расположенных вдоль витка, подключены N повышающих трансформаторов, вторичные обмотки которых соединены последовательно. Во втором варианте широкий виток выполнен составным из N>1 более узких витков с повышающим трансформатором каждый, вторичные обмотки N трансформаторов соединены последовательно. При этом уменьшается межвитковая емкость обмотки антенны как за счет выполнения вторичных обмоток трансформаторов однослойными, так и за счет распределения этой емкости между трансформаторами. Увеличивается широкополосность приемной ферритовой антенны. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2452063

Устройство относится к радиоприемной технике и может быть использовано в области радиосвязи, радионавигации или радиопеленгации.

Для приема сигналов СДВ, ДВ и СВ диапазонов часто используют магнитные антенны (МА) с ферритовыми сердечниками, которые обладают рядом преимуществ перед антеннами электрического типа [1, 2, 3]. В частности, благодаря ферритам такие антенны имеют небольшие габариты, они менее восприимчивы к сильной электрической составляющей поля помех от близлежащих источников. Данные антенны имеют избирательную диаграмму направленности в виде «восьмерки», что обуславливает их использование для целей навигации и пеленгации.

Однако широкополосность МА невелика, их действующая высота носит явно выраженный резонансный характер с максимумом на некоторой частоте, на которой чувствительность антенны наилучшая. Поэтому для приема во всем СДВ-СВ диапазоне приходится использовать две антенны, рассчитанные на прием в каждом из диапазонов, что удорожает антенную систему и создает определенные неудобства эксплуатации.

Создание широкополосной антенны, перекрывающей непрерывно весь СДВ-СВ диапазон представляет сложную техническую задачу. Дело в том, что для достижения высокой чувствительности в СДВ диапазоне, особенно в условиях подводного приема, при использовании еще приемлемого по длине ферритового стержня (не более 1 м) обмотка на стержне должна содержать сотни витков (до 500 и более). В результате существенного увеличения индуктивности обмотки и межвитковой емкости резонансная частота антенны снижается до 100 кГц и менее, что приводит к сильному подавлению сигналов с частотами выше резонансной частоты. Кроме того, электрическая длина провода обмотки (с учетом укорочения волны вблизи феррита) на высоких частотах становится соизмеримой с длиной волны. Наведенные полем в проводе полуволны напряжений разной полярности начинают вычитаться друг из друга и приводить к снижению суммарного напряжения на выходе обмотки вплоть до нуля на некоторых частотах, что также снижает верхнюю рабочую частоту антенны.

Цель изобретения - расширение рабочего диапазона ферритовой СДВ антенны до СВ-диапазона.

Известны ферритовые антенны [1, 2], в которых с целью уменьшения межвитковой емкости обмотка на ферритовом стержне выполняется секциями. Недостатком такого решения является заметное увеличение длины обмотки при том же количестве витков.

Известна ферритовая МА [1, 3], в которой для уменьшения ее собственной индуктивности предлагается обмотку выполнять секциями, а между секциями включать конденсаторы. В результате образования подобия линии бегущей волны с волновым сопротивлением, согласованным с сопротивлением нагрузки, происходит выравнивание частотной характеристики антенны в рабочем диапазоне частот. Однако расчеты для СДВ антенны показывают, что из-за фазовых сдвигов в секциях верхняя граничная частота МА ограничена несколькими сотнями килогерц.

Известны ферритовые антенны с переменным количеством витков обмотки [1, 2]. При повышении частоты приема количество витков уменьшается с помощью переключателя. Необходимость управления антенной усложняет приемный тракт. Такая антенна будет хорошо работать только с одним радиоприемником, от которого будет получать сигналы управления. Тем же недостатком будет обладать и антенна, настраиваемая, например, с помощью конденсатора переменной емкости [1].

Наиболее близким по своей техническим сущности устройством (прототипом) является ферритовая антенна [4], содержащая один широкий виток обмотки на ферритовом стержне и подключенный к нему повышающий трансформатор на ферритовом кольце с коэффициентом трансформации 1:W. Периметр сечения ферритового кольца обычно меньше периметра сечения стержня, что позволяет при том же количестве витков W уменьшить длину обмотки и тем повысить резонансную частоту антенны. Недостатком такой антенны является сложность реализации трансформатора с высоким коэффициентом трансформации (500 и выше), поскольку длина внутренней окружности колец ограничена их реальными типоразмерами и не позволяет намотать в один слой большое количество витков (более 200). Многослойная намотка увеличивает межвитковую емкость, а ее секционирование снижает коэффициент связи между обмотками трансформатора. Все эти факторы ухудшают широкополосность.

Для увеличения широкополосности предлагается параллельно широкому витку (шириной до 0,7 от длины стержня) включить N трансформаторов, распределенных равномерно вдоль широкого витка, а вторичные однослойные обмотки трансформаторов включить последовательно.

Положительный эффект от предлагаемого технического решения заключается в том, что даже при ограниченном количестве витков на одном трансформаторе W1, равном, например, 200, за счет предлагаемого включения N таких трансформаторов (N 2-5) общее количество витков W0=N·W 1 может достигать 1000. Причем будет обеспечена минимальная межвитковая емкость как за счет выполнения обмоток в каждом трансформаторе однослойными, так и за счет N-кратного секционирования (распределения между N трансформаторами) суммарной вторичной обмотки.

На фиг.1 представлен внешний вид антенны с тремя трансформаторами, где обозначены цифрами:

1 - ферритовый стержень;

2 - широкий виток с тремя параллельными выводами;

3 - трансформаторы со вторичными обмотками;

4 - выводы вторичных обмоток трансформаторов.

Антенна работает следующим образом.

Наведенное на широкий виток 2 напряжение Uвит поступает одновременно на входы N параллельно включенных трансформаторов 3. Первичная обмотка трансформатора содержит один виток, который конструктивно выполнен в виде металлической гильзы, замыкающей вывод широкого витка и проходящей через внутреннее отверстие кольца. Общий ток витка Iвит делится между выводами (между трансформаторами) приблизительно поровну. Напряжение на выходе каждого трансформатора (его вторичной обмотки) будет равно Uтр=Uвит W1. Суммарное напряжение на выходе всех N вторичных обмоток будет равно Uвых=Uвит·W 1

·N.

Широкий виток может быть выполнен из N частей с перекрытием или без перекрытия торцов, фиг.2. Каждая, из частей соединена со своим трансформатором. Такой вариант исполнения может быть проще в изготовлении, но без перекрытия торцов обладает немного меньшей широкополосностью.

Оценим выигрыш от предлагаемого технического решения. Пусть длина окружности ферритового стержня равна 10 см. Для получения необходимой чувствительности антенны требуется намотать 600 вит.обмотки на ферритовом стержне. Длина провода в этом случае составит l=10×600=6000 см=60 м. Если использовать 3 трансформатора на кольцах типоразмера 32×16×8 мм (периметр сечения р=3,2 см) с количеством витков по 200 на каждом, то общая длина обмотки составит l=20 м, что в 3 раза меньше. Это означает, что и верхняя граничная частота антенны может быть в 3 раза выше.

При N>4-5 выигрыш будет уменьшаться, что связано с увеличением кратности деления тока широкого витка Iвит между трансформаторами. Уменьшение тока через каждый трансформатор в N раз эквивалентно увеличению в N раз выходного сопротивления широкого витка для одного трансформатора. Для нормальной работы трансформатора потребуется увеличение индуктивности его первичной обмотки, например, путем наложения нескольких колец или применения колец большей толщины. Все эти меры приводят к увеличению периметра сечения кольца, а следовательно, и длины обмотки.

Использование предлагаемого технического решения позволяет расширить рабочий диапазон СДВ антенны в сторону высоких частот до СВ диапазона включительно и тем сократить необходимое количество приемных МА на объектах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хомич В.И. Ферритовые антенны. Массовая радиобиблиотека. Выпуск 721 - М.: Энергия, 1969. 96 с.

2. Вершков М.В. Расчет и проектирование судовых антенн радиосвязи. - Л.: Морской транспорт, 1963, 148 с.

3. Бобков A.M. Реальная избирательность радиоприемных трактов в сложной помеховой обстановке. - Санкт-Петербург, Абрис, 2001. - 216 с.

4. Патент № 2256264, H01Q 7/08, 2004 г.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Широкополосная приемная ферритовая антенна, состоящая из ферритового стержня с одним широким витком, выводы которого соединены с первичной обмоткой повышающего трансформатора, отличающаяся тем, что к широкому витку через N>1 его параллельных выводов, расположенных вдоль витка, подключены N повышающих трансформаторов, вторичные обмотки которых соединены последовательно.

2. Широкополосная приемная ферритовая антенна, состоящая из ферритового стержня с одним широким витком, выводы которого соединены с первичной обмоткой повышающего трансформатора, отличающаяся тем, что широкий виток выполнен составным из N частей, каждая из которых соединена со своим трансформатором, а вторичные обмотки всех трансформаторов соединены последовательно.

www.freepatent.ru

Мобильная передающая антенна сдв диапазона

Полезная модель относится к антенно-фидерным устройствам и может быть использована в каналах радиосвязи как антенна подвижного или стационарного узла радиосвязи СДВ диапазона.

Известно, что несимметричный вибратор широко применяется в радиосистемах связи. Вертикальные (штыревые) и наклонные (лучевые) антенны используются для радиосвязи на переносных, подвижных, полевых радиостанциях, на стационарных радиоцентрах [1].

Несимметричные вибраторы размерами более 10 м изготавливаются, в основном, из медных и биметаллических тросов и устанавливаются на антенные опоры, чем и ограничивается вертикальный размер антенны. Для связных стационарных передающих центров СДВ диапазона высота опор обычно составляет 150-250 м, что явно недостаточно для эффективной работы антенн в данном диапазоне. Даже высота центральной мачты стационарной передающей навигационной системы «Омега», работающей в СДВ диапазоне, достигает только 400 м [2].

Создание несимметричного вертикального вибратора большого размера, представляет собой сложную техническую задачу в силу необходимости подъема верхнего конца вертикального несимметричного вибратора на значительную высоту (оптимальная высота вертикального несимметричного вибратора составляет 0.55 λ , где λ - длина рабочей волны).

Для решения этой задачи предлагалось использовать пилотируемые летательные аппараты: дирижабли, вертолеты, и неуправляемые воздушные шары [3, 4].

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является антенна, где для подъема и удержания антенны в рабочем положении предложен вертолет [3]. Антенной служит металлический трос, соединяющий вертолет с размещенным на земле передатчиком.

Однако, применение пилотируемых летательных аппаратов для подъема антенного полотна передающих антенн на большую высоту, практически нереализуемо. Экипаж летательного аппарата будет находиться в непосредственной близости к антенне, где значительно превышены допустимые нормы электромагнитного излучения. Применение воздушных шаров и дирижаблей, имеющих большие

геометрические размеры, приводит к тому, что неконтролируемые и неуправляемые отклонения антенны от вертикали в результате воздействия случайных воздушных потоков (вплоть до опускания воздушного шара на землю) изменяют случайным образом входные параметры антенны и возникает неустойчивая работа согласующего устройства передатчика.

Основными техническими задачами, на решение которых направлена заявляемая полезная модель, являются увеличение вертикального размера антенны; обеспечение устойчивого положения вертикального несимметричного вибратора во время работы передатчика, обеспечение безопасности работы с антенной; возможность изменения конфигурации и размеров антенны; упрощение технического обслуживания антенны.

Указанный технический результат достигается тем, что в мобильной передающей антенне СДВ диапазона, представляющей собой вертикальный несимметричный вибратор, выполненный в виде металлического троса, верхний конец троса соединен с одним или несколькими управляемыми программно беспилотными летательными аппаратами для подъема и удержания его на заданной высоте.

Устройство работает следующим образом.

К беспилотному летательному аппарату (БПЛА) (или группе БПЛА) подсоединяется верхний конец вертикального несимметричного вибратора, выполненного в виде троса. Нижний конец троса (вибратора) подключается к передатчику. «Земля» передатчика подключается к системе заземления. В БПЛА вводится программа подъема, «висения» БПЛА в определенной точке пространства и спуска. После запуска двигателей БПЛА (или группа БПЛА) поднимается в воздух и выходит в определенную точку пространства по заданной траектории с заранее заданной скоростью. БПЛА в результате подъема вытягивает трос на заданную высоту, создает необходимую конфигурацию антенного полотна и удерживает его в рабочем положении. По окончании работы БПЛА по заданной траектории и с заданной скоростью производит посадку. Максимальная длина антенного троса (т.е. вертикальный размер несимметричного вертикального вибратора) определяется прочностью троса и техническими характеристиками БПЛА. Время разворачивания антенны, в основном, определяется временем предполетной подготовки БПЛА.

Устройство может быть реализовано, например, с использованием беспилотных вертолетов Ка-137 [5], имеющих нормальную грузоподъемность 50 кг (максимальная

грузоподъемность - 80 кг). При этом достаточно двух указанных вертолетов для установки и удержания в вертикальном положении сталемедного троса диаметром 6 мм и длиной 1000 м (вес троса составляет 95,5 кг).

Два БПЛА Ка-137, входят в состав многоцелевого беспилотного вертолетного комплекса МБВК-137 (грунтово-мобильный вариант). Через диэлектрические тросы с демпферами колебаний к ним подсоединяется верхний конец сталемедного троса.

Грунтово-мобильный комплекс МБВК-137 выполнен на базе автомобилей повышенной проходимости «КамАЗ». В него входят: передвижной пункт управления ППУ-137, способный одновременно контролировать полет 2 БПЛА; транспортно-эксплуатационная машина, на которой размещено 2 контейнера с вертолетами, кран для погрузки летательных аппаратов.

Ка-137 способен перемещаться в любом направлении с использованием без ограничений всего скоростного диапазона. Это особенно важно для летательного аппарата вертолетного типа, дистанционно или автоматически пилотируемого в условиях турбулентного потока воздуха, а также при большой скорости ветра, направление которого неизвестно. Это качество позволяет использовать БПЛА для подъема и удержания антенного троса в заранее заданном положении.

Ка-137 оборудован цифровой системой автоматического управления, выполненной с использованием элементов искусственного интеллекта. Бортовая навигационная инерционно-спутниковая система обеспечивает автоматический полет по сложному профилю.

Статический потолок Ка-137 - 2900 м.

В БПЛА вводится программа взлета, «висения» и посадки. После запуска двигателей БПЛА производят взлет по заданной траектории с заданной скоростью; «выходят» в заранее запрограммированную точку пространства; «висят» в определенной точке, удерживая трос в вертикальном положении. После окончания работы производят посадку по заранее заданной траектории в заданном режиме. В режиме «висения» БПЛА антенна обеспечивает работу передатчика. При посадке производится наматывание троса на безинерционную катушку.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Справочник по расчету проволочных антенн. Ю.К.Муравьев - ВАС, 1978 г.

2. Радионавигационные системы сверхдлинноволнового диапазона. С.Б.Волошин, Г.А.Семенов, А.С.Гузман и др.; под ред. П.В.Оленюка, Г.В.Головушкина - М., Радио и связь. 1985 г.

3. Антенны. Ч.1, ч.2, Н.П.Гавеля, А.Д.Истрашкин, Ю.К.Муравьев, В.П.Серков, ВКАС, Ленинград, 1963 г.(прототип).

4. IEEE TRANSACTION ANTENNAS AN PROPAGATION, VOL. AP-31. NO.2. MACH 1983 г.

5. Http://www.airwar.ru/enc/oh/ka 137.html.


bankpatentov.ru

Широкополосная приемная ферритовая антенна сдв-св диапазона

Изобретение относится к радиоприемной технике и может быть использовано в области радиосвязи, радионавигации или радиопеленгации. К широкому витку широкополосной приемной ферритовой антенны через N>1 его параллельных выводов, расположенных вдоль витка, подключены N повышающих трансформаторов, вторичные обмотки которых соединены последовательно. Во втором варианте широкий виток выполнен составным из N>1 более узких витков с повышающим трансформатором каждый, вторичные обмотки N трансформаторов соединены последовательно. При этом уменьшается межвитковая емкость обмотки антенны как за счет выполнения вторичных обмоток трансформаторов однослойными, так и за счет распределения этой емкости между трансформаторами. Увеличивается широкополосность приемной ферритовой антенны. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Устройство относится к радиоприемной технике и может быть использовано в области радиосвязи, радионавигации или радиопеленгации.

Для приема сигналов СДВ, ДВ и СВ диапазонов часто используют магнитные антенны (МА) с ферритовыми сердечниками, которые обладают рядом преимуществ перед антеннами электрического типа [1, 2, 3]. В частности, благодаря ферритам такие антенны имеют небольшие габариты, они менее восприимчивы к сильной электрической составляющей поля помех от близлежащих источников. Данные антенны имеют избирательную диаграмму направленности в виде «восьмерки», что обуславливает их использование для целей навигации и пеленгации.

Однако широкополосность МА невелика, их действующая высота носит явно выраженный резонансный характер с максимумом на некоторой частоте, на которой чувствительность антенны наилучшая. Поэтому для приема во всем СДВ-СВ диапазоне приходится использовать две антенны, рассчитанные на прием в каждом из диапазонов, что удорожает антенную систему и создает определенные неудобства эксплуатации.

Создание широкополосной антенны, перекрывающей непрерывно весь СДВ-СВ диапазон представляет сложную техническую задачу. Дело в том, что для достижения высокой чувствительности в СДВ диапазоне, особенно в условиях подводного приема, при использовании еще приемлемого по длине ферритового стержня (не более 1 м) обмотка на стержне должна содержать сотни витков (до 500 и более). В результате существенного увеличения индуктивности обмотки и межвитковой емкости резонансная частота антенны снижается до 100 кГц и менее, что приводит к сильному подавлению сигналов с частотами выше резонансной частоты. Кроме того, электрическая длина провода обмотки (с учетом укорочения волны вблизи феррита) на высоких частотах становится соизмеримой с длиной волны. Наведенные полем в проводе полуволны напряжений разной полярности начинают вычитаться друг из друга и приводить к снижению суммарного напряжения на выходе обмотки вплоть до нуля на некоторых частотах, что также снижает верхнюю рабочую частоту антенны.

Цель изобретения - расширение рабочего диапазона ферритовой СДВ антенны до СВ-диапазона.

Известны ферритовые антенны [1, 2], в которых с целью уменьшения межвитковой емкости обмотка на ферритовом стержне выполняется секциями. Недостатком такого решения является заметное увеличение длины обмотки при том же количестве витков.

Известна ферритовая МА [1, 3], в которой для уменьшения ее собственной индуктивности предлагается обмотку выполнять секциями, а между секциями включать конденсаторы. В результате образования подобия линии бегущей волны с волновым сопротивлением, согласованным с сопротивлением нагрузки, происходит выравнивание частотной характеристики антенны в рабочем диапазоне частот. Однако расчеты для СДВ антенны показывают, что из-за фазовых сдвигов в секциях верхняя граничная частота МА ограничена несколькими сотнями килогерц.

Известны ферритовые антенны с переменным количеством витков обмотки [1, 2]. При повышении частоты приема количество витков уменьшается с помощью переключателя. Необходимость управления антенной усложняет приемный тракт. Такая антенна будет хорошо работать только с одним радиоприемником, от которого будет получать сигналы управления. Тем же недостатком будет обладать и антенна, настраиваемая, например, с помощью конденсатора переменной емкости [1].

Наиболее близким по своей техническим сущности устройством (прототипом) является ферритовая антенна [4], содержащая один широкий виток обмотки на ферритовом стержне и подключенный к нему повышающий трансформатор на ферритовом кольце с коэффициентом трансформации 1:W. Периметр сечения ферритового кольца обычно меньше периметра сечения стержня, что позволяет при том же количестве витков W уменьшить длину обмотки и тем повысить резонансную частоту антенны. Недостатком такой антенны является сложность реализации трансформатора с высоким коэффициентом трансформации (500 и выше), поскольку длина внутренней окружности колец ограничена их реальными типоразмерами и не позволяет намотать в один слой большое количество витков (более ≈200). Многослойная намотка увеличивает межвитковую емкость, а ее секционирование снижает коэффициент связи между обмотками трансформатора. Все эти факторы ухудшают широкополосность.

Для увеличения широкополосности предлагается параллельно широкому витку (шириной до 0,7 от длины стержня) включить N трансформаторов, распределенных равномерно вдоль широкого витка, а вторичные однослойные обмотки трансформаторов включить последовательно.

Положительный эффект от предлагаемого технического решения заключается в том, что даже при ограниченном количестве витков на одном трансформаторе W1, равном, например, 200, за счет предлагаемого включения N таких трансформаторов (N≈2-5) общее количество витков W0=N·W1 может достигать 1000. Причем будет обеспечена минимальная межвитковая емкость как за счет выполнения обмоток в каждом трансформаторе однослойными, так и за счет N-кратного секционирования (распределения между N трансформаторами) суммарной вторичной обмотки.

На фиг.1 представлен внешний вид антенны с тремя трансформаторами, где обозначены цифрами:

1 - ферритовый стержень;

2 - широкий виток с тремя параллельными выводами;

3 - трансформаторы со вторичными обмотками;

4 - выводы вторичных обмоток трансформаторов.

Антенна работает следующим образом.

Наведенное на широкий виток 2 напряжение Uвит поступает одновременно на входы N параллельно включенных трансформаторов 3. Первичная обмотка трансформатора содержит один виток, который конструктивно выполнен в виде металлической гильзы, замыкающей вывод широкого витка и проходящей через внутреннее отверстие кольца. Общий ток витка Iвит делится между выводами (между трансформаторами) приблизительно поровну. Напряжение на выходе каждого трансформатора (его вторичной обмотки) будет равно Uтр=Uвит W1. Суммарное напряжение на выходе всех N вторичных обмоток будет равно Uвых=Uвит·W1·N.

Широкий виток может быть выполнен из N частей с перекрытием или без перекрытия торцов, фиг.2. Каждая, из частей соединена со своим трансформатором. Такой вариант исполнения может быть проще в изготовлении, но без перекрытия торцов обладает немного меньшей широкополосностью.

Оценим выигрыш от предлагаемого технического решения. Пусть длина окружности ферритового стержня равна 10 см. Для получения необходимой чувствительности антенны требуется намотать 600 вит.обмотки на ферритовом стержне. Длина провода в этом случае составит l=10×600=6000 см=60 м. Если использовать 3 трансформатора на кольцах типоразмера 32×16×8 мм (периметр сечения р=3,2 см) с количеством витков по 200 на каждом, то общая длина обмотки составит l=20 м, что в 3 раза меньше. Это означает, что и верхняя граничная частота антенны может быть в 3 раза выше.

При N>4-5 выигрыш будет уменьшаться, что связано с увеличением кратности деления тока широкого витка Iвит между трансформаторами. Уменьшение тока через каждый трансформатор в N раз эквивалентно увеличению в N раз выходного сопротивления широкого витка для одного трансформатора. Для нормальной работы трансформатора потребуется увеличение индуктивности его первичной обмотки, например, путем наложения нескольких колец или применения колец большей толщины. Все эти меры приводят к увеличению периметра сечения кольца, а следовательно, и длины обмотки.

Использование предлагаемого технического решения позволяет расширить рабочий диапазон СДВ антенны в сторону высоких частот до СВ диапазона включительно и тем сократить необходимое количество приемных МА на объектах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хомич В.И. Ферритовые антенны. Массовая радиобиблиотека. Выпуск 721 - М.: Энергия, 1969. 96 с.

2. Вершков М.В. Расчет и проектирование судовых антенн радиосвязи. - Л.: Морской транспорт, 1963, 148 с.

3. Бобков A.M. Реальная избирательность радиоприемных трактов в сложной помеховой обстановке. - Санкт-Петербург, Абрис, 2001. - 216 с.

4. Патент №2256264, H01Q 7/08, 2004 г.

1. Широкополосная приемная ферритовая антенна, состоящая из ферритового стержня с одним широким витком, выводы которого соединены с первичной обмоткой повышающего трансформатора, отличающаяся тем, что к широкому витку через N>1 его параллельных выводов, расположенных вдоль витка, подключены N повышающих трансформаторов, вторичные обмотки которых соединены последовательно.

2. Широкополосная приемная ферритовая антенна, состоящая из ферритового стержня с одним широким витком, выводы которого соединены с первичной обмоткой повышающего трансформатора, отличающаяся тем, что широкий виток выполнен составным из N частей, каждая из которых соединена со своим трансформатором, а вторичные обмотки всех трансформаторов соединены последовательно.

findpatent.ru

Роль российской науки в создании отечественного подводного флота. — 2008 — Электронная библиотека «История Росатома»

Закладок нет.

 

 

СуперобложкаОбложка1234567891011121314151617181920 пустая212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950515253545556575859606162636465666768697071727374757677787980818283848586878889909192939495969798 пустая99100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132133134135136137138139140141142143144145146147148149150151152153154155156157158159160161162163164165166167168169170171172173174175176177178179180181182183184185186187188189190191192193194195196197198199200201202203204205206207208209210211212213214215216217218219220221222223224225226227228229230231232233234235236237238239240241242243244245246247248249250251252253254255256257258259260261262263264265266267268269270271272273274275276277278279280 пустая281282283284285286287288289290291292293294295296297298299300301302303304305306307308309310311312313314315316317318319320321322323324325326327328329330331332333334335336 пустая337338339340341342343344345346347348349350351352353354355356357358359360361362363364365366367368369370371372373374375376377378379380381382 пустая383384385386387388389390391392393394395396 пустая397398399400401402403404405406407408409410411412413414415416417418419420421422423424425426427428429430 пустая431432433434435436437438439440441442443444445446447448449450451452453454455456457458459460461462463464465466467468469470471472473474475476477478 пустая479480481482483484485486487488489490491492493494495496497498499500501502503504505506507508509510511512513514515516517518519520521522523524525526527528529530531532533534535536537538539540541542543544545546547548549550551552553554555556557558559560561562563564 пустая565566567568569570571572573574575576577578579580581582583584585586587588589590591592593594595596597598599600601602603604605606607608609610611612613614615616617618619620621622623624625626627628629630631632 пустая633634635636637638639640641642643644645646647648649650651652653654655656528 вкл. 1528 вкл. 2528 вкл. 3528 вкл. 4528 вкл. 5528 вкл. 6528 вкл. 7528 вкл. 8528 вкл. 9528 вкл. 10528 вкл. 11528 вкл. 12528 вкл. 13528 вкл. 14528 вкл. 15528 вкл. 16528 вкл. 17528 вкл. 18528 вкл. 19528 вкл. 20528 вкл. 21528 вкл. 22528 вкл. 23528 вкл. 24528 вкл. 25528 вкл. 26528 вкл. 27528 вкл. 28528 вкл. 29528 вкл. 30528 вкл. 31528 вкл. 32528 вкл. 33528 вкл. 34528 вкл. 35528 вкл. 36528 вкл. 37528 вкл. 38528 вкл. 39528 вкл. 40528 вкл. 41528 вкл. 42528 вкл. 43528 вкл. 44528 вкл. 45528 вкл. 46528 вкл. 47528 вкл. 48528 вкл. 49528 вкл. 50528 вкл. 51528 вкл. 52528 вкл. 53528 вкл. 54528 вкл. 55528 вкл. 56Суперобложка (с. 4)Суперобложка – Обложка1 – 23 – 45 – 67 – 89 – 1011 – 1213 – 1415 – 1617 – 1819 – 20 пустая21 – 2223 – 2425 – 2627 – 2829 – 3031 – 3233 – 3435 – 3637 – 3839 – 4041 – 4243 – 4445 – 4647 – 4849 – 5051 – 5253 – 5455 – 5657 – 5859 – 6061 – 6263 – 6465 – 6667 – 6869 – 7071 – 7273 – 7475 – 7677 – 7879 – 8081 – 8283 – 8485 – 8687 – 8889 – 9091 – 9293 – 9495 – 9697 – 98 пустая99 – 100101 – 102103 – 104105 – 106107 – 108109 – 110111 – 112113 – 114115 – 116117 – 118119 – 120121 – 122123 – 124125 – 126127 – 128129 – 130131 – 132133 – 134135 – 136137 – 138139 – 140141 – 142143 – 144145 – 146147 – 148149 – 150151 – 152153 – 154155 – 156157 – 158159 – 160161 – 162163 – 164165 – 166167 – 168169 – 170171 – 172173 – 174175 – 176177 – 178179 – 180181 – 182183 – 184185 – 186187 – 188189 – 190191 – 192193 – 194195 – 196197 – 198199 – 200201 – 202203 – 204205 – 206207 – 208209 – 210211 – 212213 – 214215 – 216217 – 218219 – 220221 – 222223 – 224225 – 226227 – 228229 – 230231 – 232233 – 234235 – 236237 – 238239 – 240241 – 242243 – 244245 – 246247 – 248249 – 250251 – 252253 – 254255 – 256257 – 258259 – 260261 – 262263 – 264265 – 266267 – 268269 – 270271 – 272273 – 274275 – 276277 – 278279 – 280 пустая281 – 282283 – 284285 – 286287 – 288289 – 290291 – 292293 – 294295 – 296297 – 298299 – 300301 – 302303 – 304305 – 306307 – 308309 – 310311 – 312313 – 314315 – 316317 – 318319 – 320321 – 322323 – 324325 – 326327 – 328329 – 330331 – 332333 – 334335 – 336 пустая337 – 338339 – 340341 – 342343 – 344345 – 346347 – 348349 – 350351 – 352353 – 354355 – 356357 – 358359 – 360361 – 362363 – 364365 – 366367 – 368369 – 370371 – 372373 – 374375 – 376377 – 378379 – 380381 – 382 пустая383 – 384385 – 386387 – 388389 – 390391 – 392393 – 394395 – 396 пустая397 – 398399 – 400401 – 402403 – 404405 – 406407 – 408409 – 410411 – 412413 – 414415 – 416417 – 418419 – 420421 – 422423 – 424425 – 426427 – 428429 – 430 пустая431 – 432433 – 434435 – 436437 – 438439 – 440441 – 442443 – 444445 – 446447 – 448449 – 450451 – 452453 – 454455 – 456457 – 458459 – 460461 – 462463 – 464465 – 466467 – 468469 – 470471 – 472473 – 474475 – 476477 – 478 пустая479 – 480481 – 482483 – 484485 – 486487 – 488489 – 490491 – 492493 – 494495 – 496497 – 498499 – 500501 – 502503 – 504505 – 506507 – 508509 – 510511 – 512513 – 514515 – 516517 – 518519 – 520521 – 522523 – 524525 – 526527 – 528529 – 530531 – 532533 – 534535 – 536537 – 538539 – 540541 – 542543 – 544545 – 546547 – 548549 – 550551 – 552553 – 554555 – 556557 – 558559 – 560561 – 562563 – 564 пустая565 – 566567 – 568569 – 570571 – 572573 – 574575 – 576577 – 578579 – 580581 – 582583 – 584585 – 586587 – 588589 – 590591 – 592593 – 594595 – 596597 – 598599 – 600601 – 602603 – 604605 – 606607 – 608609 – 610611 – 612613 – 614615 – 616617 – 618619 – 620621 – 622623 – 624625 – 626627 – 628629 – 630631 – 632 пустая633 – 634635 – 636637 – 638639 – 640641 – 642643 – 644645 – 646647 – 648649 – 650651 – 652653 – 654655 – 656528 вкл. 1 – 528 вкл. 2528 вкл. 3 – 528 вкл. 4528 вкл. 5 – 528 вкл. 6528 вкл. 7 – 528 вкл. 8528 вкл. 9 – 528 вкл. 10528 вкл. 11 – 528 вкл. 12528 вкл. 13 – 528 вкл. 14528 вкл. 15 – 528 вкл. 16528 вкл. 17 – 528 вкл. 18528 вкл. 19 – 528 вкл. 20528 вкл. 21 – 528 вкл. 22528 вкл. 23 – 528 вкл. 24528 вкл. 25 – 528 вкл. 26528 вкл. 27 – 528 вкл. 28528 вкл. 29 – 528 вкл. 30528 вкл. 31 – 528 вкл. 32528 вкл. 33 – 528 вкл. 34528 вкл. 35 – 528 вкл. 36528 вкл. 37 – 528 вкл. 38528 вкл. 39 – 528 вкл. 40528 вкл. 41 – 528 вкл. 42528 вкл. 43 – 528 вкл. 44528 вкл. 45 – 528 вкл. 46528 вкл. 47 – 528 вкл. 48528 вкл. 49 – 528 вкл. 50528 вкл. 51 – 528 вкл. 52528 вкл. 53 – 528 вкл. 54528 вкл. 55 – 528 вкл. 56Суперобложка (с. 4)

 

 

elib.biblioatom.ru

Сферические электромагнитные волны линейных электрических антенн в СДВ диапазоне

Радиоинженер, Кандидат физ.- мат. наук, Ph.D.
Арий Борисович Ляско

1. Основные уравнения для магнитной (Hφ(t,ρ)) и электрических

     (Eρ(t,ρ) и  EΘ(t,ρ))    составляющих напряжённостей электромагнитного поля для Линейных Электрических Антенн (ЛЭА), относящихся к излучателям типа Электрического Диполя Герца (ЭГД)  выведенные автором монографии [1] в право ориентированной сферической системе ортогональных координат являются моно гармоническими функциями круговой частоты ω, пространственных координат (ρ, θ, φ) и времени t вида:


    где амплитудные их значения описываются выражениями:


    - вектор напряженности электрической составляющей электромагнитного поля с единицей измерения, [Вольт  / м].

    - вектор напряженности магнитной составляющей электромагнитного поля с единицей измерения, [Ампер / м].

    - вектор индукции электрической составляющей электромагнитного поля с единицей измерения, [Кулон / м2].

    - вектор индукции магнитной составляющей электромагнитного поля с единицей измерения,  [Тесла], или [Вольт сек / м2], или [Вебер / м2].

    - вектор плотности электрического тока, [Ампер / м2].

    - вектор плотности «магнитного тока», [Вольт / м2].

    ε0 - коэффициент диэлектрической проницаемости в вакууме, [Ампер сек / Вольт м],

    или [Фарад / м], где:

    εr - относительная величина диэлектрической проницаемости среды,

    μ0 - коэффициент магнитной проницаемости в вакууме, [Вольт сек / Ампер м],

    или [Генри / м], где:

    μr - относительная величина магнитной проницаемости среды,

    σe - коэффициент проводимости электрического тока единичного объёма среды, [1 | Ом м],

    σm - коэффициент проводимости « магнитного тока» единичного объёма среды, [Ом / м].

    f - частота несущей, излучаемая ЛМА в Гц.


    W0,  W - волновое сопротивление в "открытом пространстве (вакууме) и в окружающей среде, соответственно, [Ом],

    d – диаметр стержня цилиндра, изображённого вертикально в центре координатной системы, [м ],

    le -  длина стержня, обозначающего тело Линейной Электрической Антенны (ЛЭА)  [м ],

    и при условиях: 

     является элементарным Электрическим Диполем Герца (ЭГД).


    Iam – амплитудное значение тока проходящий по телу ЭГД [А],

    Fa – сечение поперечное сечение цилиндрического тела ЭГД [кв.м],       

    Уравнения (1 – 4, 5, 6) можно привести к виду:


    В «Дальней зоне» когда   (1 – 29) остаются лишь две компоненты напряжённостей электромагнитного потока, изучаемого ЭГД в окружающее пространство:


    Амплитудное значение S[Ватт/сек] вектора  Умова-Пойнтинга,  который с физической точки зрения являющейся плотностью секундного «расхода» электромагнитной энергии:

    Sm = EΘmHφm
    (1 – 33)

    в право ориентированной системе ортогональных векторов (Е, Н, S)  «Волновое сопротивление»  , исходя из значений выражений (1 – 31) и (1 – 32) является отрицательной величиной.

    В отличие от МГД, где ориентация ортогональных векторов  излучаемого потока электромагнитной энергии является «правосторонней», для ЭГД ориентация ортогональных векторов  излучаемого электромагнитного потока является «левосторонней».

    Поэтому анализ Сферических волн, излучаемых ЭГД , требуется проводить [2]  в «естественной»  для ЭГД  левосторонней  сферической системе ортогональных координат, как это проиллюстрировано на  Изо. 1.


    Изо.1.

    В этом случае  вектор  приобретёт обратное направление, а «Волновое сопротивление» W становится  положительным числом, чему было уделено особое внимание  автором в тексте [2].

    2. В вертикальном положении ЛЭА может быть представлена как «одинокий вертикальный штырь» («Вертикальная Штыревая Антенна")  длиной  le , выполненный из материала, обладающего хорошей проводимостью для переменного электрического тока, и имеющий  по всей длине одинаковый диаметр d, когда  выполняется условие λ  >>  le > d    (2 – 1).

    Естественно, что такая «Вертикальная Штыревая Антенна  будет обладать в свободном пространстве "собственной ёмкостью"  Сэа относительно «Земли».

    Штыревая Антенна излучает электромагнитные волны за счёт существования  так называемых «Токов Смещения», исходящих  с боковой её поверхности  к «Земле» (или «заземлению»).

    Как известно, эквивалентной электрической схемой Штыревой  электрической антенны СДВ частотного диапазона является виртуальный конденсатор Сэа (собственной ёмкости Антенны).

    Автор для измерения этой виртуальной "собственной ёмкости" Сэа  передающей вертикальной (штыревой или цилиндрической) антенны предпочитает использовать схему, обеспечивающую прохождения в  теле антенны переменного  тока с амплитудным значением Iam частоты f от источника переменного напряжения, представленную на Изо. 2.

    Это схема «последовательного резонанса» (см. Изо.2.) с обязательным включением во её вторичном контуре конденсатора С и индуктивности L с известными значениями их величин. Провод от  модели ЛЭА подсоединятся  в точке соединения  C и L. Для контроля величины протекаемого тока I2m между концом L и "заземлённого" конца обмотки согласующего трансформатора Тр  включёно сопротивление Rt2 (в данном случае Rt2 = 4.3 Ом, 1%). Первичная обмотка Тр  одним концом соединена с клеммой выхода  Генератора «напряжения» частоты f . Второй её конец соединён совместно со второй клеммой Генератора (при необходимости измерения амплитуды тока IGm в разрыв включается калиброванное сопротивление Rt1) и с шиной "заземления.

    Изо. 2 Эквивалентная схема реального макета в момент теста представлена на Фото.2.

    Данная схема обеспечения питания током антенну , измерением  собственной резонансной частоты  f01  во вторичном контуре питания током ЛМА, позволяет определить эффективное значение индуктивности L2эфф вторичного контура при отсоединённом проводе питания ЛМА для данной частоты.  А в случае подсоединения  по значению  величины резонансной частоты  f02  вычислить величину эффективной ёмкости  Сэфф2 = С + Сэа, зная величину L2эфф . Собственная антенная ёмкость Сэа и конденсатор С контура питания антенны образуют с индуктивностью L2эфф последовательную резонансную цепь со значением собственной  резонансной частоты  f02:


    Напряжение от генератора моно гармоничного напряжения частоты f  вызывает в первичной обмотке согласующего трансформатора ток Ig . При включении калиброванного сопротивления Rt1 создаёт на нем напряжение URt1 , регистрация  которого позволяет с необходимой точностью получить информацию, как о спектре сигнала генератора, так форму и амплитудное значение тока Ig. Во вторичной обмотке наводится напряжение Uвх2   частоты  f, которое вызывает ток I2 (t)  во вторичном контуре и при подсоединении провода ЛМА к нему вызывает ток в её теле со значением амплитуды Iam.

    Напряжение URt2, на калиброванном сопротивлении  Rt2  дает возможность ни только определять амплитудное значение тока Iam , обтекаемого контур питания антенной цепи, но его форму и спектр.

    По максимуму значения напряжения URt1или URt2  при изменении значения частоты f выходного сигнала генератора G можно определить значение собственной частоты f01 или f02 цепи питания током ЛМА и значение амплитуды Iam , знание которого позволит определить в заданной точке пространства с помощью формул (1 - 26, 27, 28)  амплитудные значения компонентов напряжённостей электромагнитного поля в свободном пространстве.

    3. Важно предварительное знание теоретическое значение  величины собственной емкости Сэа   для Штыревой или Цилиндрической (как показано ниже) Антенн в СДВ

    В справочнике [3] для определения собственной ёмкости одиночной вертикальной Штыревой антенны имеет место следующая формула: 

    (3 - 1), где  соотношение между  le и d   определяется  выражениями

    Но при сохранении этих требований можно методом суперпозиции использовать эту формулу для определения собственной ёмкости антенны, типа ЭГД, тело которой представляет из себя вытянутый (длиной le) пустотелый цилиндр диаметра D, боковая поверхность которого образована металлической фольгой толщиной d, при этом

    D << λ / 2π     (3 - 4)

     (3 - 5), где    (3 - 6), где ξ  < 1 - поправочный коэффициент, зависящий от того, каким образом торцовая часть боковой поверхности соединена с схемой её питания переменным напряжением частоты f.

    3.1 Пример №1. Определение основных данных элементов для эквивалентной электрической схемы на Изо.2. 

    Дана модель ЦА№1 - антенна цилиндрической формы, находящееся  в вертикальном положении, диаметра D=6.4 см и длиной le = 38 см, боковая поверхность которой выполнена из латунной фольги толщиной d = 0.17 мм.

    Собственная емкость которой определяем по формуле (3 -5) с учётом формулы (3 - 1).

    Сi[pF] = 2.73  M = 1182.8.   При значении ξ  = 1   можно было бы достичь значения Сэа[pF] = 3328.8   (3 - 7),  но при соединении в одной точке в торце боковой поверхности цилиндра  провода, как это можно видеть на  Фото.2, удалось достичь экспериментально лишь значение  получено экспериментально значение только  Сэа[pF] = 56.7 pF.   


    Фото.1. Слева модель МА№7, выше модель ЛА№1 и справа модель ЦА№1

    С целью экспериментального определения собственной емкости упомянутой выше модели Цилиндрической антенны ЦФ№1, вид которой изображён на Фото.1 и Фото.2 в лаборатории, было организовано "рабочее место" представленное  на Фото.1.

    Провод от макета цилиндрической антенны в соответствии с эквивалентной схемой Изо. 2. подсоединялся последовательно к месту соединения калиброванного высоковольтного конденсатора (на Фото 2  он - синего цвета) С = 2186 pF  (1%, 1600 В) с одним из концов вторичной обмотки согласующего трансформатора Тр (на Фото.2  он зелёно - красного цвета).

    Параметры согласующего трансформатора Тр: число витков первичной обмотки N1 =30. Число витков вторичной обмотки  N2 =26. На частоте 1 КГц  измерения с помощью цифрового L-C-R  прецизионного моста (дали:  L2 = 6.106 mH  , r1 = 0.786 Ohm, Q = 48,8. L1 =8.627 mH, r2 = 1.012 Ohm, Q = 53.6.  (см. Фото.3.)


    Фото. 2.


    Фото.3. В момент измерения величины конденсатора С.

    В качестве индуктивности L использована обмотка тороида (на Фото.2 - представлен чёрным цветом). На частоте 1 КГц измерения с помощью цифрового L-C-R  прецизионного измерителя: L = 6.38 mH (3 - 8) , r = 1.608 Ohm, Q = 34.95., при этом N  = 194 витка содержит его обмотка. На частоте 1 КГц С = 2.184 nF (3 - 9).

    3.2. Определение основных характеристик модели Цилиндрической Антенны (ЦА№1) представленной на Фото. 2.

    Сначала определяются параметры испытываемой схемы обнаружением частоты резонанса fo1 во вторичном контуре по максимуму показаний напряжения URt2, на калиброванном сопротивлении


    Изо. 4. Синим цветом спектральная характеристика напряжение на калиброванном сопротивлении Rt2 (4.3 Ома, 1%) при подсоединении провода модели ЦА№1 ко вторичному контуру. 


    Изо.5. Синим цветом спектральная характеристика напряжение на калиброванном сопротивлении Rt2 (4.3 Ома, 1%) при подсоединении провода Рамочной антенны ко вторичному контуру.


    Изо. 6. Синим цветом спектральная характеристика напряжение на калиброванном сопротивлении Rt2 (4.3 Ома, 1%) без подсоединения провода Рамочной антенны ко вторичному контуру.


    Изо. 7. Синим цветом спектральная характеристика напряжение на калиброванном сопротивлении Rt2 (4.3 Ома, 1%) без подсоединения провода Рамочной антенны ко вторичному контуру.

    Rе2 = 4.3 Ом при отсутствии подсоединения провода питания модели антенны ЦА№1 ко вторичному контуру с целью определения эффективного значения индуктивности во вторичном контуре, зная значение ёмкости конденсатора С. Затем определяется значение частоты резонанса fo2 при подсоединённом проводе модели ЦА№1, как это показано на Фото. 2. с целью определения значения собственной ёмкости Сэа[pF].

    При этом одновременно на расстояние 1.4 м регистрировался спектр излученного ей сигнала  с помощью, собственноручно изготовленными автором либо Рамочной приёмной Антенной ЛА№1, либо Ферритовой Антенной МА№7, внешний вид которых показан справа на Фото. 1. На Изо. 3, 4, 5 представлены следующие изображения спектра при сканировании сигнала генератора. Время сканирования Т= 500 сек. во время регистрации каждого из приведённых изображений.

    3.3  Итак, с помощью изображений Изо.7. и Изо. 6 определяем значение резонансной частоты fo1 = 42.33 КГц и значение полосы пропускания BW1= 2.48 КГц.

    Зная величину С = 2.184 nF, определяется эффективная индуктивность вторичного контура

     = 6.47 mH.  (3 - 10).  

    Интересно отметить, что на частоте 1 КГц индуктивность тороида L = 6.38 mH (3 - 8), поэтому

    Эффективное значение индуктивности Leff  вторичного контура обусловлено лишь значением индуктивности лишь тороида на данной частоте резонанса fo1.

    Знание значения полосу пропускания BW1, определяет  эффективную добротность вторичного контура  = 17.07  (3 - 11). Определив Волновое сопротивление вторичного контура = 1721 Ом. (3 - 12), определяется эквивалентное сопротивление потерь вторичного контура = 100.82 Ом. (3 - 13) По данным выше значениям L1 и L2 согласующего трансформатора Тр определяется коэффициент трансформации

    = 0.84  ( 3 - 14). Зная внутреннее сопротивление выхода Генератора ri = 50 Ом, определяется вносимое им сопротивление потерь во вторичный контур = 35.28 Ом  (3 -15) и реальное сопротивление потерь  = 61,25 Ом (3 - 16)      вторичного контура для частоты fo1 = 42.33 КГц. Поэтому реальная добротность вторичного контура = 28.11 (3 - 17), а это значит, амплитудное значение напряжения на конденсаторе  С, а следовательно на входе модели ЦА№1 определяется как  (3 - 18). Так как Um outG= 1.41* 3 В = 4.23 В. (3 - 23). Поэтому UCm = 99.9 В  (3 - 24)

    3.1б. Повторяя подобные вычисления при обработке характера полученных спектров Изо.4 и Изо.5. и зная значение Leff (см. формулу 3 - 7) и значение величины ёмкости конденсатора С

    можно получить значение величины собственной ёмкости рассматриваемой модели Цилиндрической Антенны, указанное ранее Сэа[pF] = 56.7 pF.   Поэтому возможно вычислить для значения резонансной частоты  fo2 =  41.8 КГц спектров Изо.4 и Изо.5. амплитудное значение тока в теле модели ЦА№1.


    Этот пример показывает, что очень трудно получить для диапазона частот СДВ в мало габаритных передающих линейных электрических антеннах типа ЭДГ значительную величину протекаемого по их телу тока в силу невозможности получения для этого  типа антенн в диапазоне СДВ достаточно большого значения  собственной ёмкости.

    3.4  Определение амплитудных значений компонентов  напряжённостей электромагнитного поля в свободном пространстве (вакууме) при значении несущей частоты f0 =41.8 КГц для  расстояния ρ = 1.4 м при значениях амплитуды тока модели ЦА№1  Iam = 0.015 А, боковая поверхность которой образована фольгой из латуни толщиной   d = 0.17 мм  диаметра   D=6.4 см и длиной le = 38 см. При значении  частоты f0= 41800 Гц, длины волны в открытом пространстве  =  7177 м (3 - 20) и при значении углов θ =0 , φ = 0  (3 - 21), воспользовавшись (см. рисунок на Изо.1.) формулами  (1 - 27, 28, 29) можно отыскать значения .

    Очевидно, что амплитудное значение напряжённости электрического поля

     (3 - 22)

    Для вычисления амплитудного значения электрической компоненты  и амплитудного значения магнитной компоненты  напряжённостей электромагнитного поля автор воспользовался компьютерной программой [4] уравнений (1 -27, 29), учитывая, что 


    4. Видим,

    а) что составляющая напряжённости магнитного поля| направлена, в соответствии с рисунком Изо.1 горизонтально  

    б) тогда как составляющая электрического поля  


    направлена вертикально.

    в) Видно, на примере теста модели ЦА№1, что Передающая Линейная Электрическая Антенна в свободно пространстве "Ближней зоны" создаёт более сильное  электрическое поле нежели магнитное поле.


    Фото. 4. Иллюстрация "геометрии измерения" уровня  излучения модели ЦА№1.

    Рамочной Антенной ЛА№1 и моделью Ферритовой антенны МА№7 на дистанции 1.4 м.


    Изо.8. Форма спектра Um outG - (красного цвета кривая) и  URt2 (синего цвета кривая)


    Изо.9. Форма спектра Um outG - (красного цвета кривая) и  URt2 (синего цвета кривая)


    Изо.10. Спектр выходного сигнала Рамочной Антенны ЛА№1 


    Изо. 11. Спектр выходного сигнала Ферритовой Антенны МА№7

    Одновременно со сканированием в течении 500 сек. выходного напряжения Генератора в пределах частоты 40 КГц - 44 КГц для целей определения резонансной частоты fo2 =  41.8 КГц, полосы пропускания BW2= 2.47 КГц и  тока в теле моделиЦА№1 при помощи АЧХ, представленных на Изо.8 и Изо. 9 производилась регистрация напряжений на выходе приёмных Антенн ЛА№1 и МА№7 (АЧХ зарегистрированных ими сигналов изображены, соответственно на Изо.11 и Изо. 10).

     "Эффективная высота"регистрации ЛА№1 рассчитывается по формуле для Рамочных Антенн:

     (4 - 1), где  для ЛА№1 Aeff = 0,25 кв.м., N = 100 витков.

    для частоты fo2 =  41.8 КГц длина волны λ = 7177м, поэтом = 0.022 м

    В соответствии с Изо.11 на частоте 41.8 КГц был зарегистрирован уровень сигнала

    GLA#1 =  - 13.40 dBV   (4 - 2), это значит UвыхЛА№1 = 10 - 13.40/20 = 0.214 B (4 - 3).

    В разделе 3.3 было установлено, что на расстоянии 1.4 м модуль напряжённости электрического поля, созданного моделью ЦА№1 : 10.477 В/м    (3 - 28)

    Поэтому теоретически значение  амплитуды напряжен на выходе ЛА№1 может быть определено по формуле =0.23 В. (4 - 4). Это теоретическим путём полученное значение  для амплитуды напряжения на выходе пассивной Рамочной Антенны ЛА№1, изображённой на. Фото.4., хорошо совпадает с экспериментально полученным его значением (4 - 3).

    Уровень сигнала, зарегистрированный ферритовой антенной МА№7, представленный на Фото. 4,

    GLA#1 =  - 34.44 dBV   (4 - 5) на частоте 41.8 КГц , это значит

     UвыхмМА№8 = 10 - -34.44/20 = 0.019 В    (4 - 6).

    Сравнивая амплитудные значения принятых антеннами ЛА№1 и МА№7 сигналов от модели ЦА№1, создавшей практически в месте их расположения один и тот же уровень электрической напряжённости поля, позволяет определить значение  "Эффективная высота"регистрации МА№7:

    = 1.95 10 -3 м.

    5. Литература

    [1] Г. З. Айзенберг,  монография " Антенны  Ультракоротких Волн", Гос. Изд. Лит. по вопросам Связи и Радио", Москва, 1957 г.

    [2] А. Б. Ляско, Описание Изобретения Патента РФ № 25300233 "Способ преобразования в открытом пространстве двух направленных в одну сторону линейно поляризованных моногармоничных  потоков электромагнитных волн в направленный поток  Волн де Бройля"   от 12.08.014 г.

    [3] Х. Мейнке Ф. Гудлах, "Радиотехнический Справочник", Госэнергоиздат, Москва, 1960 г.

    [4] Компьютерная программа "MathCAD", MathSoft. Inc., 1999 г.

    journalpro.ru

    Ответы на экзаменационные вопросы № 43-63 по дисциплине "Антенно-фидерные устройства" (Требования, предъявляемые к антеннам метровых и дециметровых волн. Основные типы приемных и передающих антенн СВ, ДВ, СДВ), страница 6

    Горизонтальная составляющая электрического поля обычно много меньше вертикальной и сдвинута по отношению к ней по фазе на угол близкий к 45°. Поэтому в плоскости распространения (вертикальной) поляризация волны оказывается эллиптической. Это позволяет в качестве приемных антенн использовать горизонтальные длинные провода ориентированные своей осью в направлении на передающий центр. Считается, что стоимость антенны растет пропорционально третьей степени её высоты. Поэтому антенны СДВ и ДВ имеют высоту, как правило, много меньшую, чем  длина волны. Имея относительно малую электрическую длину , антенны СДВ и ДВ обладают низкой излучающей способностью (сопротивление излучения составляет от долей до единиц Ом). Поэтому для устойчивой радиосвязи требуются весьма большие мощности передатчиков (сотни кВт).

    При < 0,25 входное сопротивление антенны имеет большую реактивную составляющую емкостного характера (до нескольких кОм), поэтому Rвх << Xвх. Как следствие, в точках питания антенны  напряжение становится очень большим (Uвх =ImaХвх). Большое напряжение увеличивает вероятность электрического пробоя изоляторов, пробоя в системе проводов и относительно Земли. Это обстоятельство ограничивает возможность увеличения мощности, подводимой к антенне.

    За счет большого значения реактивной составляющей входного сопротивления Хвх с антенной связана большая реактивная мощность, не участвующая в излучении. Поэтому КПД антенны не превышает 10¸30%. По этой же причине добротность антенны СДВ и ДВ очень велика, а полоса пропускания, соответственно, очень мала. Поэтому антенны СДВ и ДВ используют для радиотелеграфной связи с малыми скоростями передачи. В основном эти антенны нашли широкое применение в навигации и передаче сигналов точного времени из-за высокой стабильности амплитуды и фазы сигнала. Коротковолновая часть диапазона ДВ (l= 1000 ÷ 2000 м) отведена для радиовещания.

    Средние волны применяются в основном для радиовещания, морской радиосвязи и для отдельных видов служебной связи.

    Общие требования к передающим антеннам СДВ, ДВ, СВ. Они сводятся к следующему:

    1. Увеличение мощности излучения за счет увеличения сопротивления излучения.

    2. Уменьшение напряжений в антенне.

    3. Увеличение КПД антенны.

    4. Расширение полосы пропускания антенны.

    5. Расширение зоны действия поверхностной волны (для СВ антенн).

    63. Основные типы приемных и передающих антенн СВ, ДВ, СДВ.

    В диапазоне СДВ, ДВ, СВ в качестве передающих антенн используются антенны вибраторного типа: Г-образные, Т-образные, зонтичные (СДВ и ДВ), антенны-мачты, антенны-башни (СВ).

    Увеличение сопротивления излучения вертикального вибратора возможно за счет увеличения его высоты, что неоправданно ни технически, ни экономически. Наличие горизонтального провода способствует более равномерному распределению амплитуды тока по вибратору, что может дать увеличение сопротивления излучения в четыре раза по сравнению с вертикальным вибратором без горизонтальной части (рис. 19.2). Горизонтальная часть Г-образных и Т-образных антенн практически не участвует в излучении, т.к. создаваемое ей поле излучения компенсируется противофазным полем зеркального изображения.

    Для расчета электрических характеристик антенн с горизонтальной частью заменим исходную антенну высотой (длиной) l эквивалентным вертикальным вибратором с длиной lэ (рис.19.3):, где lэг - длина эквивалентной горизонтальной части.

    lэг находится из условия равенства входных сопротивлений горизонтальной части длиной lг и ей эквивалентной вертикальной с длиной lэг. В случае Г-образной антенны,            

    откуда            .            (19.3)                           

    Действующая длина вертикального заземленного вибратора определяется по формуле:         .                                           

    Волновое сопротивление вертикального заземленного вибратора можно вычислять по приближенной формуле

    ,                                         

    где  l - длина вибратора, Rэ – эквивалентный радиус поперечного сечения антенны.

    Антенны СВ диапазона в отличие от антенны СДВ и ДВ имеют намного большее сопротивление излучения. Поэтому их выполняют в виде вертикального вибратора без развитой горизонтальной части. Это могут быть либо антенны мачты, либо антенны башни (рис.19.4 а, б). Антенны – мачты и антенны – башни устанавливаются на бетонном основании, опираясь на изолятор. Изолятор должен выдерживать на пробой большие напряжения (до 100 кВ) и большие механические нагрузки (до 200 т).

    vunivere.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *