ШИРОКОПОЛОСНОЕ ДВУХКОМПОНЕНТНОЕ ПРИЕМНОЕ АНТЕННОЕ УСТРОЙСТВО

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

Выявление и анализ радиоизлучений для идентификации источников сигналов и помех, измерение параметров сигналов и помех, определение положения источников на местности являются важнейшими задачами современной радиотехники.

При решении этих задач особенно высокие требования по чувствительности, широкополосности, погрешности пеленга и помехозащищенности предъявляют к антенным устройствам - первичным преобразователям электромагнитного поля.

Известна ферритовая антенна [1], в которой обмотка на стержневом ферритовом сердечнике помещена в резистивный электрический экран. Для повышения широкополосности электрического экранирования экран изготавливают из хорошо проводящего материала (металла). В этом случае для сохранения магнитной чувствительности антенны экран вокруг стержневого ферритового сердечника имеет щель [2], расположенную вдоль его оси по всей длине экрана. Такой экран со щелью позволяет улучшить направленные свойства ферритовой антенны.

К недостаткам аналога относится то, что по мере повышения частоты воздействующего электромагнитного поля на выходе обмотки ферритовой антенны появляется заметный помеховый сигнал, обусловленный электрической составляющей поля. В широкополосной ферритовой антенне мегагерцового диапазона частот этот помеховый сигнал уже может быть соизмерим с полезным сигналом от магнитной составляющей, что нарушает нормальную работу магнитной антенны.

Известна также сопряженная пеленгационная антенна диапазона 0,5-30 МГц [3], содержащая две взаимно ортогональные приемные магнитные антенны на стержневых ферритовых сердечниках, которые имеют профиль с углами, уменьшающими отражение радиолокационного излучения и расположенных крестообразно, с обмотками на каждом из них, расположенными симметрично относительно центральных сечений сердечников, дифференциальные выходы которых соединены с дифференциальными входами симметрирующих трансформаторов, выходы которых соединены с разъемами, все указанные элементы защищены кожухом и размещены на металлическом основании, и с выхода разъемов с помощью кабелей принимаемые радиосигналы передаются на вход приемного электронного устройства.

Симметрирование элементов устройства позволяет достаточно эффективно подавлять синфазную составляющую помехового сигнала от электрической составляющей электромагнитного поля.

Недостатком этого аналога является слабая поляризационная развязка между взаимно ортогональными приемными антеннами и как следствие значительная ошибка определения пеленга. Реально достижимая поляризационная развязка в антенных устройствах с взаимно ортогональным крестообразным расположением приемных магнитных антенн, сочетающих в себе широкополосность и взаимную симметрию их элементов, не превышает 40 дБ на частотах около 100 кГц, 30 дБ - на частотах около 1 МГц и 20 дБ - на частотах около 10 МГц и выше. При требовании к точности пеленга в 1÷2°, необходимо иметь развязку не менее 40 дБ.

Наиболее близким по своей технической сущности устройством (прототипом) является широкополосное двухкомпонентное приемное антенное устройство [4], содержащее металлическое основание, на котором размещены две взаимно ортогональные приемные антенны на стержневых ферритовых сердечниках, расположенных крестообразно, с обмотками на каждом из сечений сердечников, расположенными симметрично относительно центральных сечений сердечников, симметрирующие трансформаторы и разъемы, дифференциальные выходы обмоток соединены с дифференциальными входами трансформаторов, а выходы симметрирующих трансформаторов с разъемами, с выходов которых принимаемые радиосигналы с помощью кабелей передаются на вход приемного электронного устройства, электрические экраны приемных антенн с продольными щелями, экранированные линии связи, торцевые элементы антенного снижения, приемные магнитные антенны смещены друг относительно друга по вертикали, расположены над металлическим основанием, плоскость которого параллельна продольным осям магнитных антенн, обмотки каждой из приемных магнитных антенн помещены в собственный электрический экран с продольной щелью, в месте пересечения антенн экраны верхней и нижней приемных магнитных антенн электрически соединяются между собой, при этом продольная щель экрана верхней приемной магнитной антенны обращена вверх, продольная щель экрана нижней приемной магнитной антенны обращена вниз, к торцевым краям экрана нижней приемной магнитной антенны симметрично подсоединены электропроводящие конструктивно идентичные торцевые элементы антенного снижения, замыкающие электрические экраны на металлическое основание, а экранированные линии связи между дифференциальными выходами приемных антенн и дифференциальными входами симметрирующих трансформаторов проложены вдоль поверхностей экрана нижней приемной магнитной антенны, торцевых элементов снижения и металлического основания симметрично относительно центрального сечения сердечника нижней приемной магнитной антенны, и экранирующие оболочки линий связи электрически соединены с экраном нижней приемной магнитной антенны, торцевыми элементами снижения и металлическим основанием.

Использование предложенных в прототипе конструктивного и технического решений позволяет снизить влияние помехи на полезный сигнал, а также улучшить поляризационную развязку до значения не менее 40 дБ в диапазоне частот до 10 МГц.

Недостатком прототипа является повышенная аппаратурная погрешность определения пеленга, связанная с наличием той ее составляющей, которая обусловлена неидентичностью коэффициентов преобразования конструктивно однотипных верхней и нижней приемных магнитных антенн, до значения, не превышающего 1%.

Техническим результатом изобретения является уменьшение аппаратурной погрешности определения пеленга.

Технический результат достигается тем, что широкополосное двухкомпонентное приемное антенное устройство, содержащее металлическое основание, на котором размещены две взаимно ортогональные приемные магнитные антенны на стержневых ферритовых сердечниках, расположенные крестообразно, с обмотками на каждом из сердечников, расположенными симметрично относительно центральных сечений сердечников, симметрирующие трансформаторы и разъемы, дифференциальные выводы обмоток соединены с дифференциальными входами трансформаторов, а выходы симметрирующих трансформаторов с разъемами, с выходов которых принимаемые радиосигналы с помощью кабелей передаются на вход приемного электронного устройства, электрические экраны приемных антенн с продольными щелями, экранированные линии связи, торцевые элементы антенного снижения, приемные магнитные антенны смещены относительно друг друга по вертикали, расположены над металлическим основанием, плоскость которого параллельна продольным осям приемных магнитных антенн, обмотки каждой из приемных антенн помещены в собственный электрический экран с продольной щелью, в месте пересечения антенн экраны верхней и нижней приемных магнитных антенн электрически соединяются между собой, при этом продольная щель экрана верхней приемной магнитной антенны обращена вверх, продольная щель экрана нижней приемной магнитной антенны обращена вниз, к торцевым краям экрана нижней приемной магнитной антенны симметрично подсоединены электропроводящие конструктивно идентичные торцевые элементы антенного снижения, замыкающие электрические экраны на металлическое основание, а экранированные линии связи между дифференциальными выходами приемных магнитных антенн и дифференциальными входами симметрирующих трансформаторов проложены вдоль поверхностей экрана нижней приемной магнитной антенны, торцевых элементов снижения и металлического основания симметрично относительно центрального сечения сердечника нижней приемной магнитной антенны, и экранирующие оболочки линий связи электрически соединены с экраном нижней приемной магнитной антенны, торцевыми элементами снижения и металлическим основанием, дополнительно содержит две балластные обмотки, содержащие один или более витков, нагруженные каждая на малоиндуктивный резистор, располагаемые по одной на концах стержневого ферритового сердечника верхней приемной магнитной антенны, и балластные обмотки выполнены с возможностью перемещения по сердечнику.

На фигурах 1-3 представлены три проекции общего вида на антенное устройство: вид спереди, вид сбоку и вид сверху соответственно.

На чертежах приняты следующие обозначения:

1 - верхняя приемная магнитная антенна;

2 - нижняя приемная магнитная антенна;

3 - стержневой ферритовый сердечник верхней приемной антенны;

4 - стержневой ферритовый сердечник нижней приемной антенны;

5 - обмотка верхней приемной антенны;

6 - обмотка нижней приемной антенны;

7 - электрический экран верхней приемной антенны;

8 - электрический экран нижней приемной антенны;

9 - продольная щель в электрическом экране верхней приемной антенны;

10 - торцевые элементы антенного снижения;

11 - металлическое основание;

12 - экранированные линии связи;

13 - экранированный корпус симметрирующих трансформаторов;

14 - разъемы;

15 - балластные обмотки;

16 - малоиндуктивные резисторы.

Широкополосное двухкомпонентное приемное антенное устройство содержит две крестообразно расположенные одна под другой приемные магнитные антенны 1 и 2, в состав которых входят стержневые ферритовые сердечники 3 и 4, антенные обмотки 5 и 6 и электрические экраны 7 и 8 соответственно. Электрические экраны 7 и 8 имеют продольные щели 9, причем щель 9 экрана 7 расположена над верхней гранью сердечника 3, т.е. обращена вверх, а щель 9 экрана 8 - под нижней гранью сердечника 4, т.е. обращена вниз. Экран 8 приемной антенны 2 имеет торцевые элементы антенного снижения 10 на металлическое основание 11. Экраны 7, 8 и металлическое основание 11 соединены электрически между собой. Экранированные линии связи 12 одним своим концом подключены к дифференциальным выходам обмоток 5 и 6, другим - к дифференциальным входам симметрирующих трансформаторов, размещенных в корпусе 13, выходы которых соединены с разъемами 14. Экранированные линии связи 12 разведены попарно, симметрично относительно места пересечения экранов 7 и 8 и проложены по верхней плоскости экрана 8, торцевым элементам антенного снижения 10 и поверхности металлического основания 11 вдоль осевой линии проекции нижней приемной антенны 2, до точки проекции центра пересечения приемных антенн 1 и 2 на металлическое основание 11, при этом экранирующие оболочки линий связи 12 вдоль линии их прокладки электрически соединены с экраном 8 и металлическим основанием 11. На концах стержневого ферритового сердечника 3 приемной антенны 1 располагаются балластные обмотки 15, содержащие один или более витков, нагруженные каждая на малоиндуктивный резистор 16, располагаемые по одной на концах стержневого ферритового сердечника 3 верхней приемной магнитной антенны 1 и выполненные с возможностью перемещения по сердечнику 3.

Устройство работает следующим образом.

Магнитная составляющая падающего на приемные магнитные антенны 1, 2 электромагнитного поля концентрируется стержневыми ферритовыми сердечниками 3, 4 соответственно и наводит в обмотках 5, 6 э.д.с, зависящие от угла прихода электромагнитной волны. Эти э.д.с. в виде соответствующих напряжений на симметричных выходах обмоток 5, 6 по экранированным линиям связи 12 передаются на входы симметрирующих трансформаторов, расположенных в экранированном корпусе 13, где освобождается от синфазного помехового сигнала и далее с разъемов 14 пара полезных сигналов по кабелям транслируется ко входу приемного электронного устройства (регистратору). Для защиты обмоток 5, 6 от воздействия электрической составляющей электромагнитного поля, являющейся помеховым фактором для приемных магнитных антенн 1 и 2, они помещены в электрические экраны 7 и 8 соответственно. Электрическое поле, взаимодействуя с экранами 7 и 8, формирует натекающий на них из окружающего пространства ток смещения, который переходит в ток антенного снижения, стекающий с экранов 7, 8 от места их электрического соединения по двум симметричным ветвям снижения, сформированным с помощью двух электрически и конструктивно идентичных торцевых элементов антенного снижения 10, на металлическое основание 11. С металлического основания 11 ток снижения растекается по находящейся с ним в электрофизическом контакте подстилающей поверхности земли. При этом сформированные торцевыми элементами 10 симметричные ветви стекания на металлическое основание 11 тока снижения расположены в вертикальной плоскости пространственной фиксации приемной магнитной антенны 2 симметрично по отношению к ортогональной вертикальной плоскости, в которой фиксирована приемная антенна 1. Такая пространственная структура размещения элементов антенного устройства выводит приемную магнитную антенну 2 из области воздействия магнитного поля тока снижения, а для антенны 1 влияние противоположно направленных магнитных полей симметричных ветвей тока снижения компенсируется. Продольные щели 9 в экранах 7 и 8, располагаясь у антенны 1 сверху, а у антенны 2 снизу, находятся вне путей стекания тока снижения и, тем самым, не создают асимметрии в его распределении. Продольные оси приемных антенн 1 и 2 параллельны металлическому основанию 11. Компланарность плоскостей, в которых лежат оси приемных антенн 1 и 2, исключает возможность ассиметричного натекания на антенное устройство тока смещения из окружающего пространства. Балластные обмотки 15, содержащие один или более витков, нагруженные каждая на малоиндуктивный резистор 16, размещаясь по одной на концах стержневого ферритового сердечника 3 верхней приемной магнитной антенны 1 и выполненные с возможностью перемещения по сердечнику 3, практически не оказывая влияния на полосу частот устройства, позволяют, благодаря возможности своего перемещения по сердечнику 3 выровнять коэффициенты преобразования приемных магнитных антенн 1 и 2. Возможность перемещения балластных обмоток 15 обеспечивается, например, упругими свойствами материала, из которого они изготовлены, либо с помощью устройства, изменяющего натяжение витков обмоток 15 вокруг сердечника 3. Идентичность коэффициентов преобразования приемных антенн 1 и 2 уменьшает аппаратурную погрешность определения пеленга, минимизирует помеховое влияние на формирование на выходе антенного устройства неискаженного радиосигнала от магнитной составляющей электромагнитного поля.

Количественная оценка достигнутого технического результата может быть проведена следующим образом.

Внешнее изменяющееся во времени магнитное поле H=H(t) наводит в обмотках 5 и 6 взаимно ортогонально расположенных приемных антенн 1 и 2 в апериодическом режиме (широкополосный прием) токи, которые создают на дифференциальных входах усилителя 13 напряжения U₁ и U₂, соответственно:

где K_пр1 K_пр2 - коэффициенты преобразования напряженности магнитного поля в напряжение на нагрузках приемных антенн 1 и 2 соответственно;

φ - азимутальный угол на источник электромагнитного излучения.

Из (1), (2) следует, что при векторном сложении суммарное напряжение, соотносимое с модулем вектора напряженности магнитного поля Н, равное:

не зависит от угла φ при равенстве K_пр1 и K_пр2, т.е. теоретически устройство обладает строго круговой диаграммой направленности и может независимо использоваться в малобазовых (однопунктовых) радиопеленгаторах.

При этом направление на источник излучения (пеленг) определяется из соотношения:

Как видно из (3) аппаратурная составляющая ошибки определения пеленга Δφ есть функция абсолютных погрешностей четырех параметров и может быть представлена в виде:

где Δφ_U - составляющая погрешности пеленга, обусловленная погрешностью измерения пары значений напряжений U₁ и U₂;

Δφ_Кпр - составляющая погрешности пеленга, обусловленная погрешностью определения пары значений коэффициентов преобразования приемных антенн.

Из (3) следует, что Δφ_Кпр1→0 при K_пр1→K_пр2, т.е. эта составляющая погрешности пеленга минимальна при равенстве коэффициентов преобразования приемных антенн 1 и 2. В прототипе [4] показано, что другая основная составляющая аппаратурной погрешности пеленга Δφ_U также минимизируется при равенстве K_пр1=K_пр2.

Однако вследствие взаимодействия замкнутого контура снижения, образованного экраном 8, элементами снижения 10 и металлическим основанием 11 (фиг.2), с пронизывающим его изменяющимся во времени магнитным потоком, обусловленным внешним электромагнитным полем, магнитный поток отчасти «вытесняется» за пределы данного контура. В результате напряженность магнитного поля в месте размещения верхней приемной антенны 1 несколько возрастает, а нижней антенны 2 - слабо падает, что приводит к различию коэффициентов преобразования верхней 1 и нижней 2 приемных антенн.

Для подтверждения возможности компенсации этого эффекта покажем, что его величина устойчива в пределах диапазона частот пеленгации от 1 кГц до 1 ГГц.

Контур снижения, представляя собой короткозамкнутый виток, сохраняет режим интегрирования наведенной внешним магнитным полем э.д.с., т.е. устойчиво работает как источник тока, создающий противополе, только в пределах определенных граничных частот. Нижняя граничная частота этого источника может быть найдена из соотношения:

где r_кс, L_кс - активное сопротивление и индуктивность контура снижения.

Для численной оценки воспользуемся соотношениями [5] для активного сопротивления и индуктивности квазиплоского контура снижения в виде правильного прямоугольника:

где ρ - удельное сопротивление материала контура;

l, h - длина и высота образующей контура;

d, Δ - ширина и толщина материала образующей контура. Отсюда в предположении, что материал контура - медь толщиной 0,5 мм, а характерные геометрические размеры контура равны, соответственно, l≈300 мм, h≈100 мм, d≈30 мм, получаем:

Верхняя граничная частота определяется резонансом контура снижения и может быть найдена из соотношения:

Таким образом, видно, что стабильный эффект «вытеснения» поля сохраняется в полосе частот 1 кГц - 1 ГГц, перекрывающей характерный частотный диапазон пеленгации. Это позволяет осуществить его широкополосную компенсацию, равномерно уменьшая коэффициент преобразования верхней приемной антенны в пределах полосы ее преобразования.

Возможность широкополосной регулировки коэффициентов преобразования приемных антенн необходима и по другой причине.

Коэффициенты преобразования приемных антенн K_пр1, K_пр2, входящие в выражение (3), являются константами и не зависят от угла φ. Однако их значения, определяемые по стандартной процедуре калибровки приемных антенн, имеют разброс в пределах доверительного интервала ΔK_пр, соответствующего применяемой методике калибровки, т.е.:

В связи с этим отношение коэффициентов преобразования, имеющее значение для определения угла φ, также будет иметь статистический разброс:

Поэтому для минимизации влияния на пеленг погрешности определения коэффициентов преобразования приемных антенн (обычно δ_пр≈±10%) проводят процедуру их относительного выравнивания в составе двухкомпонентного антенного устройства в предположении, что они конструктивно и технологически идеально идентичны, т.е.:

Для этого устройство размещают в однородном магнитном поле с известным направлением вектора и, вращая антенное устройство, производят относительное выравнивание амплитуд откликов приемных антенн U_m1 и U_m2 (например, по экрану осциллографа) при углах φ, равных:

где n=0, 1, 2, 3.

На каждом шаге процедуры выравнивание коэффициентов преобразования осуществляется с относительной погрешностью, не превышающей 0,5%, так что результирующая погрешность по всей процедуре, соотносимая с круговой диаграммой направленности двухкомпонентного устройства, не превосходит 1%.

Инструментом такой методики балансировки коэффициентов преобразования приемных антенн не могут быть их дифференциальные усилители, т.к. регулировка коэффициентов усиления антенн используется [4] для подавления влияния синфазной помехи при минимизации составляющей погрешности Δφ_U.

Поэтому в предлагаемом устройстве с целью выравнивания коэффициентов преобразования приемных антенн и снижения ошибки определения пеленга введены две балластные обмотки 15, содержащие один или более витков (например, из меди или латуни), нагруженные каждая на малоиндуктивный резистор 16, расположенные по краям стержневого ферритового сердечника 3 верхней приемной антенны 1 (рис.1, 3).

Балластные обмотки 15 выполнены с таким расчетом, чтобы их нижняя граничная частота была много меньше нижней граничной частоты приемных антенн 1 и 2

а верхняя граничная частота витков 15 была много больше верхней граничной частоты приемных антенн 1 и 2

Иначе говоря, полоса частот балластных обмоток 15, нагруженных каждая на малоиндуктивный резистор 16, как элементов электромагнитно подобных обмоткам 5, 6 приемных антенн 1 и 2, должна перекрывать полосу частот приемных антенн 1 и 2 при соблюдении примерного равенства:

где K^б, K^а - коэффициенты перекрытия полосы частот балластных обмоток 15, нагруженных каждая на малоиндуктивный резистор 16, и антенн 1 и 2, соответственно.

Электрический режим работы балластных обмоток 15 благодаря их нагружению на малоиндуктивный резистор 16 является апериодическим и аналогичен режиму обмоток 5, 6 приемных антенн 1 и 2.

Условие (6) удовлетворяется, если выбраны соответствующие электрические и геометрические параметры витков обмоток 15. Для оценки этих параметров достаточно переписать соотношение (5) с учетом квадратного профиля обмоток 15 и согласованного режима их работы, для которого необходимо равенство внутреннего сопротивления r_b обмоток 15 и сопротивления R резистора 16, в виде:

где µ_эфф - относительная эффективная магнитная проницаемость стержневого ферритового сердечника 3 приемной антенны 1 на его краях;

ρ_б - удельное сопротивление материала витков балластных обмоток 15;

Δ_б - толщина материала, из которого изготовлены витки обмоток 15;

b_b - ширина витков обмоток 15;

d_б - сторона квадрата образующей витков обмоток 15;

N_б - количество витков в каждой из обмоток 15.

Приняв , из (8) получим:

или для обмоток 15, содержащих, например, два витка из меди:

Относительная эффективная магнитная проницаемость стержневого ферритового сердечника изменяется вдоль его продольной оси, уменьшаясь от центрального сечения, где она максимальна, к краям. Как показано в [6], распределение µ_эфф вдоль сердечника может быть аппроксимировано степенным трехчленом:

где - относительное значение осевой координаты x;

- относительная эффективная магнитная проницаемость сердечника в центральном сечении.

Для наиболее употребимых относительных длин сердечников l/d≈(15÷20) и относительных магнитных проницаемостей ферритового материала µ≥1000 относительная эффективная магнитная проницаемость сердечника в центральном сечении определяется практически только его геометрией [6]:

После этого из (10) и (11) следует, что относительная эффективная магнитная проницаемость на краях сердечника в пределах X=(0,9÷1) составляет µ_эфф≈20.

Если предположить, что балластные витки 15 изготавливаются, например, из медной фольги толщиной 50 мкм, то в соответствии с (9) их ширина для удовлетворения требования кГц должна быть равна b≈5 мм.

Для удовлетворения условию (7) достаточно рассмотреть время нарастания переходной характеристики балластных обмоток 15. Время нарастания переходной характеристики обмоток 15, работающих в апериодическом режиме, слабо зависит от свойств сердечника 3 и определяется паразитным резонансом, связанным с паразитными межвитковой емкостью С_пар обмоток 15 и индуктивностью L_пар резисторов 16. Используя известную связь между временем нарастания переходной характеристики t_н, верхней граничной частотой f_в, и паразитным параллельным резонансом f_пар выходной ветви обмоток 15, имеем:

где L_пар≈10^-8 Гн для малоиндуктивных резисторов 16;

С_пар≈10^-11 Ф Для плоских витков обмоток 15.

В результате полоса частот балластных обмоток 15, определяемая сверху паразитными межвитковой емкостью обмоток 15 и индуктивностью резисторов 16, с большим запасом перекрывает не только полосу частот приемных антенн 1 и 2, но и почти весь диапазон радиопеленгаторов, использующих приемные ферритовые антенны.

При этом в процессе возбуждения приемной антенны 1 внешним электромагнитным полем балластные обмотки 15, располагаясь на концах сердечника 3, размагничивают его до необходимой величины, компенсируя тем самым вытеснение магнитного поля из области, охваченной контуром снижения устройства, в зону чувствительности приемной антенны 1. Причем, чем ближе обмотки 15 располагаются к центральному сечению сердечника 3, тем сильнее они понижают чувствительность приемной антенны 1. На практике перемещения обмоток 15 на расстояние порядка размера d от края сердечника достаточно для выравнивания коэффициентов преобразования приемных антенн 1 и 2.

Таким образом, использование в широкополосном двухкомпонентном антенном устройстве двух балластных обмоток, содержащих один или более витков, нагруженных каждая на малоиндуктивный резистор, располагаемых по одной на концах стержневого ферритового сердечника верхней приемной магнитной антенны и выполненных с возможностью перемещения по сердечнику, позволяет уменьшить аппаратурную погрешность определения пеленга, обусловленную неравенством коэффициентов преобразования верхней и нижней приемных антенн до значения, не превышающего 1%, определяемого только процедурой их выравнивания.

Источники информации

1. Патент США №2981950 НКИ 343-788, 1959.

2. Ротхаммель К., Кришке А. Антенны, т.2, Минск, Наш город, 2001, с.194.

3. Патент США №6570543 В1, МКИ H01Q 7/04, 2003.

4. Ахмедзянов И.Ш., Молочков В.Ф. Широкополосное двухкомпонентное антенное устройство, Патент РФ №2474014С1, МКИ H01Q 7/04, 06, 2013.

5. Гликман И.Я., Русин Ю.С. Расчет характеристик элементов цепей РЭА, М.: Сов. радио, 1976, с.14, 107.

6. Мельников Э.А., Мельникова Л.Н. Приемные индукционные ферритовые антенны и (обзор), Известия Вузов СССР - Радиоэлектроника, т.XVII, №10, 1974.