Результат интеллектуальной деятельности: Широкополосная приёмная антенна

Изобретение относится к радиоприемной технике и может быть использовано для преобразования магнитного поля (МП) или магнитной компоненты электромагнитного поля, создаваемых гармоническими или импульсными источниками сигнала.

Из уровня техники известен индукционный преобразователь напряженности магнитного поля с нагрузкой, состоящий из приемной рамки и активного сопротивления. Мизюк Л.Я. Входные преобразователи для измерения низкочастотных магнитных полей. - Киев, Наукова думка, 1964. - С. 6, 46, 50.

Недостатками преобразователя являются относительно высокая нижняя граничная частота и относительно низкая крутизна низкочастотного склона его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).

Известен первичный индукционный магнитометрический преобразователь в виде «электрически малой» катушки, к выводам которой подключена активная нагрузка сопротивлением R. Панин В.В., Степанов Б.М. Измерение импульсных магнитных и электрических полей. - М., Энергоатомиздат, 1987. - С.20, 37. Такое соединение катушки и резистора образует простейший самоинтегрирующий индукционный преобразователь МП.

Недостатками преобразователя являются относительно высокая нижняя граничная частота и относительно низкая крутизна низкочастотного склона АЧХ (склон АЧХ первого порядка).

Известно активное приемное антенное устройство, содержащее магнитную антенну, усилитель, цепь отрицательной обратной связи, включенной между выходом усилителя и выходом магнитной антенны, конденсатор, включенный между входом усилителя и выходом магнитной антенны, емкость которого выбрана из условия последовательного резонанса с магнитной антенной на минимальной частоте рабочего диапазона. Авторское свидетельство СССР №1234901, МПК H01Q 23/00, 30.05.1986.

Недостатками устройства являются необходимость применения усилителя и зависимость АЧХ антенного устройства от режима работы усилителя.

Известен индуктивный преобразователь переменного магнитного поля (в современной терминологии - первичный индукционный магнитометрический преобразователь, ПИМП), нагруженный на усилитель через разделительный конденсатор, реактивное сопротивление которого на низшей частоте рабочего диапазона много меньше входного сопротивления усилителя. Кореневский Л.Н. К расчету индуктивных преобразователей переменного электромагнитного поля. - Измерительная техника, 1966, №5. - С. 91, 92. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

Поскольку определяющим АЧХ преобразователя параметром входа усилителя является активное сопротивление, то входное сопротивление усилителя можно далее рассматривать как один из видов резистивной нагрузки, имеющей преимущественно активную составляющую собственного импеданса в широкой полосе частот.

Недостатками прототипа являются относительно высокая нижняя граничная частота и относительно низкая крутизна низкочастотного склона АЧХ.

Техническим результатом является снижение нижней граничной частоты в ~ раз и повышение крутизны низкочастотного склона АЧХ устройства в два раза без изменения коэффициента преобразования.

Снижение нижней граничной частоты предлагаемым техническим решением позволяет расширить частотный диапазон ПИМП без изменения его конструктивных характеристик. Повышение крутизны низкочастотного склона АЧХ предотвращает перегрузку входных цепей приема сигнала преобразователя мощными низкочастотными помехами.

Технический результат достигается тем, что широкополосная приемная антенна, содержащая последовательно соединенные первичный индукционный магнитометрический преобразователь, разделительный конденсатор и резистивную нагрузку, при этом первичный индукционный магнитометрический преобразователь и резистивная нагрузка первыми концами электрически соединены с общим проводником, вторыми концами соединены с разделительным конденсатором, емкость С разделительного конденсатора определяется из соотношения

где L и r - соответственно, индуктивность и активное сопротивление первичного индукционного магнитометрического преобразователя на низкой частоте;

R_н - сопротивление резистивной нагрузки.

Нижняя граничная частота f_н прототипа, для которого во всем частотном диапазоне f≥f_н выполняется условие

где С_р - емкость разделительного конденсатора прототипа;

ω - циклическая частота, ω=2 πf;

f - частота воздействующего магнитного поля, определяется по известной формуле для апериодических индукционных антенн

следующей из равенства активной и реактивной составляющих импеданса антенной цепи на нижней граничной частоте, где можно пренебречь шунтирующим действием реактивного сопротивления собственной емкости С_о ПИМП.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена эквивалентная схема устройства.

На фиг. 2 приведены логарифмические АЧХ коэффициентов преобразования К_пр устройства (кривая «WBA»), при выполнении условия (1), и прототипа (кривая «Prototype»), при выполнении условия (2).

Приняты следующие обозначения:

1 - первичный индукционный магнитометрический преобразователь;

2 - разделительный конденсатор;

3 - резистивная нагрузка;

L - индуктивность ПИМП на низкой частоте;

е - ЭДС электромагнитной индукции ПИМП;

r - активное сопротивление ПИМП на низкой частоте;

С_о - собственная емкость ПИМП.

Широкополосная приемная антенна содержит последовательно соединенные первичный индукционный магнитометрический преобразователь 1, разделительный конденсатор 2 и резистивную нагрузку 3, при этом ПИМП 1 и резистивная нагрузка 3 первыми концами электрически соединены с общим проводником, а вторыми концами соединены с разделительным конденсатором 2, причем емкость разделительного конденсатора 2 определяется из соотношения (1)

где L и r - соответственно, индуктивность и активное сопротивление первичного индукционного магнитометрического преобразователя на низкой частоте;

R_н - сопротивление резистивной нагрузки.

В качестве ПИМП 1 могут применяться индукционные рамочные или ферритовые антенны. Резистивной нагрузкой 3 помимо резистора также может служить входное сопротивление широкополосного трансформатора тока (см. Андерсон Д.М. Широкополосные трансформаторы тока / Приборы для научных исследований, 1971, №7, с. 3-14), либо входные сопротивления известных из уровня техники преобразователей «ток-напряжение» (ПТН) на широкополосных операционных усилителях или транзисторах, усилителей с параллельной отрицательной обратной связью, имеющих преимущественно активную составляющую входного импеданса в широкой полосе частот.

Выходной сигнал устройства снимается с нагрузочного резистора, с вторичной обмотки широкополосного трансформатора тока или с выхода ПТН соответственно типу применяемой резистивной нагрузки 3.

Широкополосная приемная антенна работает следующим образом.

Параллельная главной оси ПИМП 1 составляющая магнитного поля воздействует на него, возбуждая по закону электромагнитной индукции электродвижущую силу е(ω) (фиг. 1), служащую причиной возникновения тока в проводнике ПИМП 1, разделительном конденсаторе 2 и в резистивной нагрузке 3. Изменение во времени этого тока повторяет, в рабочем частотном диапазоне, изменение напряженности МП. При установлении емкости разделительного конденсатора 2 устройства равной (1), нижняя граничная частота понижается в раз, а крутизна низкочастотного склона АЧХ повышается в два раза по сравнению с измерительной цепью, в которой реактивное сопротивление разделительного конденсатора 2 удовлетворяет условию (2).

Технический результат обосновывается следующими пояснениями.

Коэффициент преобразования на средних и низких частотах К_prot прототипа, удовлетворяющего (2) и (3), описывается зависимостью

где К_сч - коэффициент преобразования прототипа в среднечастотном диапазоне;

j - мнимая единица.

Коэффициент преобразования К_WBA устройства в области средних и низких частот при учете (1) и (3) описывается зависимостью

Приравнивая квадрат дроби выражения (5) величине 0,5, находим нижнюю граничную частоту f_гр устройства

которая оказывается в раз меньше, чем нижняя граничная частота f_н прототипа.

Сравнивая выражения (4) и (5) видим, что крутизна низкочастотного склона АЧХ широкополосной приемной антенны в два раза выше, чем у прототипа при сохранении неизменной величины коэффициента преобразования.

Примером авторской реализации предлагаемого устройства может служить материальный макет пассивной широкополосной приемной антенны для преобразования магнитного поля высших гармоник промышленной электросети, изготовленной на предприятии. Такая антенна состоит из последовательно соединенных посредством пайки ПИМП 1, разделительного конденсатора 2 емкостью ~ 6.3 мкФ и резистивной нагрузки 3 из резистора, сопротивлением 50 Ом. ПИМП 1 состоит из цилиндрического ферритов ого сердечника длиной 200 мм и обмотки из ~ 400 витков медного провода. Параллельно резистору 3 припаивается выходной соединитель для подключения к нему кабеля, передающего сигнал устройства на вход регистратора или приемника. Для защиты от возможных механических и климатических воздействий составные части устройства размещаются в трубчатом пластиковом корпусе с пластиковыми торцевыми заглушками, на одной из которых закрепляется вышеуказанный выходной соединитель. ПИМП 1 закрепляется в корпусе с помощью винтов, ввинченных в боковую стенку корпуса, таким же образом механически соединяются трубчатый корпус и торцевые заглушки. Разделительный конденсатор 2 подпаивается одним выводом к центральной клемме соединителя, другим выводом - к электромонтажному лепестку, смонтированному на изоляционной стойке внутри корпуса. Резистор 3 припаивается к клеммам выходного соединителя. Концы проводника обмотки ПИМП 1 припаиваются к корпусной клемме соединителя и к вышеуказанному электромонтажному лепестку.

Кривые логарифмических АЧХ такого устройства (кривая с обозначением «WBA») и исходного ПИМП 1 с нагрузочным резистором 3 и разделительным конденсатором 2, удовлетворяющему (2) (кривая с обозначением «Prototype»), изображены на фиг. 2, из которых видно, что установление емкости разделительного конденсатора 2 равной (1), уменьшает нижнюю граничную частоту (по уровню -3 дБ) полученного устройства в ~ раз, а крутизну низкочастотного склона АЧХ увеличивает в два раза без изменения коэффициента преобразования.

Таким образом, установление емкости С разделительного конденсатора 2 широкополосной приемной антенны, содержащей последовательно соединенные ПИМП 1, разделительный конденсатор 2 и резистивную нагрузку 3, при этом ПИМП 1 и резнстивная нагрузка 3 первыми концами электрически соединены с общим проводником, а вторыми концами соединены с разделительным конденсатором 2, равной

позволяет достичь заявленный технический результат, а именно - понизить нижнюю граничную частоту в ~ раз и повысить крутизну низкочастотного склона АЧХ устройства в два раза без изменения коэффициента преобразования.