Конструкции ферритовых антенн и пути их развития
Хомич Вадим Иванович
Основным типом ферритовых антенн в настоящее время является описанная выше антенная катушка (рамка) с ферритовым сердечником. Этот тип антенн развивался в основном по пути совершенствования видов намотки, выбора оптимальных форм и материала сердечника.
Сравнительный расчет приемной ферритовой антенны показывает, что при правильно выполненных элементах входа она обычно сравнима по эффективности с штырем в 1—2 м. В ряде случаев подобная эффективность оказывается недостаточной, вследствие чего возникает необходимость увеличения действующей высоты ферритовой антенны. Практика конструирования ферритовых антенн накопила достаточный опыт в области повышения эффективности. Все эти методы приводят к некоторому усложнению конструкции.
Самым простым путем повышения эффективности является увеличение геометрических размеров сердечника. Выигрыш обусловливается при этом тем, что индуктивность антенной катушки растет с увеличением диаметра сердечника пропорционально первой степени этого увеличения, в то время как действующая высота пропорциональна квадрату диаметра. Неудобство этого метода заключается в увеличении размеров и веса сердечника, так как рост диаметра должен сопровождаться ростом длины с тем, чтобы действующая проницаемость сердечника осталась неизменной. Иначе говоря, увеличение диаметра ведет к резкому увеличению объема и, следовательно, веса сердечника (удельный вес феррита около 5 г/см3).
Иногда встречается затруднение в выборе сердечника соответствующего диаметра. Выход из этого затруднения может быть найден в использовании набора цилиндрических стержней, связываемых для этого в пучок. При этом полезная площадь сечения такого сердечника, определяющая действующую высоту, увеличивается в Z0,42 раз, где Z — число стержней в пучке, а индуктивность — в Z0,38 раз, если отношение l/d достаточно велико. На рис. 16 показана конструкция сердечника антенны, изготовленного из пучка цилиндрических стержней.
Рис. 16. Антенна с сердечником из пучка стержней.
Другой метод увеличения действующей высоты ферритовой приемной антенны состоит в последовательном или параллельном соединении нескольких ферритовых антенн. Идея последовательного соединения нескольких антенн близка к идее секционирования антенной катушки. Действительно, разбивая антенную катушку на две части, размещая эти части на двух стержнях и соединяя их последовательно, мы уменьшаем индуктивность антенны почти в 2 раза, так как связь между антеннами уже при расстоянии в 2—3 см друг от друга ничтожно мала. Это позволяет увеличить общее число витков в обеих катушках примерно в SQR2 раз при сплошной намотке. Если такое расчленение антенной катушки произвести на трех стержнях, то число витков можно увеличить примерно в SQR3 раз, на четырех — примерно в 2 раза и т. д. Следует, однако, отметить, что увеличению числа стержней сопутствует увеличение связи между ними и поэтому индуктивность антенной катушки, намотанной на т стержнях, уменьшается меньше чем в n раз, так как индуктивность каждой из частей будет равна:
где Ki, K2, Kn_i — коэффициенты взаимоиндукции.
При последовательном соединении отдельных антенн стержни должны быть параллельны, а отдельные катушки антенны не должны быть включены навстречу друг другу, что достигается одинаковой намоткой катушек и соответствующим соединением концов обмоток (рис. 17,а).
Рис. 17. Схемы соединения антенных катушек
а — последовательное соединение; б — параллельное соединение.
Параллельное соединение отдельных антенных катушек (рис. 17,6) приводит к таким же положительным результатам. При отсутствии или малой связи между двумя антенными катушками, включенными параллельно, индуктивность такой антенны уменьшается вдвое, что также может быть компенсировано увеличением числа витков в SQR2 раз. Аналогично, как и при последовательном включении, при большом числе стержней появляется возможность большего увеличения чисел витков, а следовательно, увеличения эффективности антенны. Препятствием к увеличению числа стержней здесь, помимо указанных выше факторов, следует считать быстрое увеличение собственной емкости ферритовой антенны. На рис. 18 представлена фотография ферритовых антенн УКВ диапазона с параллельным включением антенных катушек.
Рис. 18. Внешний вид ферритовых ультракоротковолновых антенн.
Некоторый выигрыш в эффективности может быть достигнут путем применения сердечников с переменным (по длине) сечением. В этом случае утолщенные части сердечника используются как концентраторы внешнего поля. В качестве примера рассмотрим ферритовую антенну, сердечник которой имеет переменное сечение в виде приведенного на рис. 19.а. Измерения, проведенные с ферритами, имеющими малую магнитную проницаемость, показывают, что если иа расстоянии трети от концов сердечника его диаметр увеличить вдвое, оставив диаметр средней части неизменным, то действующая высота антенны возрастет в 2,5—3 раза, а индуктивность антенной катушки при этом — всего лишь на 20—30%. Указанные соотношения размеров фигурного сердечника приведены лишь в качестве примера и, вероятно, неполностью характеризуют максимальный выигрыш, который может бытьполучен с помощью предлагаемого метода.
Другим путем увеличения магнитного потока является применение сердечника, состоящего из частей, обладающих разными магнитными свойствами (рис. 19, б). В частности, для концентрации магнитного потока внешнего поля большая часть сердечника выполняется из материала с повышенной магнитной проницаемостью, в то время как несущая антенную катушку часть сердечника, материал которой определяет добротность антенны, может быть выполнена из феррита с меньшей проницаемостью, но и с меньшими потерями.
Рис. 19. Ферритовые антенны с неоднородными сердечниками.
а — с переменным сеченнем; б — с переменной проницаемостью; в - с немагнитным зазором
(1 — сердечник, 2 — каркас, 3 — прокладка, 4 — обмотка).
Некоторой модификацией этого метода может быть введение в сердечник немагнитного зазора. В этой конструкции (рис. 19, в) сердечник антенны состоит из двух половинок, скрепленных с помощью прокладки (шайбы) из полистирола (приклеивается к сердечнику эпоксидной смолой). Введение такой прокладки увеличивает в 1,5 раза добротность антенной катушкн при увеличении числа витков ее на 20%. Толщина прокладки берется порядка 1—1,5 мм.
Возможны, конечно, к комбинации обоих методов: сердечники с фигурным профилем могут собираться из различных частей, состоящих из отличающихся по свойствам магнитных материалов. Соединению их должна предшествовать тщательная шлифовка сочленяющихся поверхностей. Следует учесть, что неплотное прилегание поверхностей феррита уменьшает его магнитную проницаемость.
Учет этого уменьшения может быть произведен по формуле
где u3—действующая проницаемость сердечника с зазором;
r — отношение длины воздушной прослойки к общей длине сердечника.
Для улучшения диаграммы направленности в ферритовых антеннах применяется электростатический экран, изготовляемый из хорошо проводящего материала н повторяющий по форме сердечник антенны. Прн этом проводящая поверхность экрана не должна образовывать контуров тока, совпадающего по направлению с током в антенной катушке. Для этого, например, в цилиндрическом экране по всей его длине прорезается щель. Практика показывает, что экран должен располагаться на достаточном удалении от антенной катушки (не ближе 1см). В качестве материала для экрана обычно используется тонкая посеребренная латунная или бронзовая фольга. В некоторых конструкциях для экрана применяется ткань (нейлоновая или другая) с вплетенными в нее тончайшими металлическими нитями. Возможно также применение металлических покрытий.
В рассмотренных нами конструкциях ферритовых антенн предусматривалась классическая схема их включения Считалось, что антенная катушка является частью настроенного антенного контура. Естественным при этом был выбор материала сердечника с малыми магнитными потерями. Однако в некоторых случаях представляется целесообразным применение ферритов, граничная частота которых ниже рабочего диапазона антенны. Такие антенны можно назвать апериодическими, так как при этом сопротивление потерь обычно превышает индуктивное сопротивление антенной катушки. Одна из таких антенн описана ниже (стр. 53).
Ферритовые антенны применяются также и в диапазоне СВЧ. В основу их положен принцип диэлектрической антенны (использование феррита в качестве среды для распространения радиоволн). Благодаря относительно высокой диэлектрической проницаемости феррита (10—14 в диапазоне СВЧ) такая антенна имеющая вид длинного усеченного конуса, способна обеспечить получение однолепестковой диаграммы направленности шириной не более 25° с коэффициентом усиления порядка 40 в 3-сантиметровом диапазоне волн.
Схематический чертеж такой антенны представлен на рис.20. Антенна состоит из ферритсвого стержня длиной около 11см, наибольшим диаметром не меньше 6 см и наименьшим диаметром 0,38см, модулирующей катушки, короткой секции круглого волновода для возбуждения стержня, фильтра и короткой секции обычного прямоугольного волновода.
Рис. 20. СВЧ ферритовая антенна.
1 — ферритовый стержень; 2 — модулятор; 3 — фланец волновода.
Излучающий стержень изготовлен из феррита с малыми потерями tgb=0,0013 и диэлектрической проницаемостью e=13.6. Заполненная ферритом секция круглого волновода имеет внутренний диаметр 6,25 и длину около 19 мм. Фильтр представляет собой медный ленточный проводник (толщиной 0,5 и шириной 1,5 мм), проходящий через феррит. Волна, возбуждаемая в прямоугольном волноводе, переходит затем в секцию круглого волновода, заполненную ферритом. Присутствие ферритового стержня заставляет волну, возбужденную в круглом волноводе, распространяться далее по стержню, как по волноводу переменного сечения. Однако в отличие от волновода, где металлические стенки полностью экранируют внутреннее поле, волна, распространяющаяся по ферритовому стержню, лишь частично отражается от границы раздела с воздухом, в остальном же во всех точках поверхности она выходит наружу. В результате этого диаграмма направленности ферритовой СВЧ антенны получается значительно более острой, чем, например, диаграмма направленности открытого конца волновода. Она зависит от площади поперечного сечения тела феррита по всей его длине, диэлектрической н магнитной проницаемости, длины стержня и др.
Описанная ферритовая антенна, помимо своего основного назначения (излучение электромагнитной энергии), используется и в качестве модулятора. Роль последнего выполняет катушка, которая питается током около 10 ма. В результате эффекта Фарадея продольное магнитное поле, вызванное соленоидом, поворачивает плоскость поляризации волны так, что потери в фильтре резко возрастают, ослабляя уровень сигнала более чем в 100 раз.
Простота такой антенны, ее малые размеры, а также возможность управления позволяют конструировать многорядные решетки с большим коэффициентом усиления и управляемой электрическим способом диаграммой направленности.
Разрабатываются и новые конструкции ферритовых антенн. Так, в одном из иностранных журналов описана ферритовая коротковолновая антенна, применявшаяся в качестве передающей. Устройство ее показано на рис. 21.
Рис. 21. Спиральная ферритовая передающая антенна.
В качестве сердечника здесь применен толстый (5 см в диаметре) ферритовый брус длиной около 1 м. С электрической точки зрения подобная антенна представляет собой горизонтальный вибратор с очень большим искусственным «укорочением» (коэффициент укорочения такой антенны в зависимости от марки феррита и способа намотки может достигать 100 и более), изменяющимся с частотой. Вследствие этого в коротковолновом диапазоне (1—10 Мгц) эта антенна имеет несколько острых резонансов, представляя собой «гармониковый» провод.
Входное сопротивление этой антенны резко меняется с изменением частоты от единиц до нескольких тысяч ом. Настройке такая антенна не поддается и практического значения пока не имеет. Однако примечательным в этой конструкции представляется использование феррита в качестве среды, изменяющей параметры токоносителя — его индуктивность и емкость.
Близка по идее к описанной так называемая «спиральная антенна», испытанная автором в диапазоне 150—300 Мгц. Антенна представляет собой спираль с малым (3—5) числом витков, навитую на цилиндрический ферритовый сердечник диаметром 25 и длиной 250 мм с проницаемостью uо = 15. Она устанавливалась на металлическом листе, к которому припаивалась оплетка питающего коаксиального кабеля; жила кабеля соединялась со спиралью в верхнем ее конце. Входное сопротивление антенны было во всем диапазоне близким к 150 ом. Однако к.п.д. её оказался весьма низким (не более 10%), что объясняется прежде всего возрастающими с частотой магнитными потерями.
Более удачным оказалось применение ферритов в качестве элемента компенсации в обычной электрической антенне — вибраторе. При этом существенными сказываются размещение ферритовых элементов по длине вибратора, а также марка феррита. Конструкция такой антенны, предназначенной для телевидения, описана более подробно в последней главе.
Принципиально возможны и другие типы ферритовых антенн. Рассмотрим некоторые наиболее перспективные из них.
Большой интерес представляет использование ферритов в щелевых антеннах. Щелевая цилиндрическая антенна, внешний вид которой показан на рис. 22, весьма близка к рамочной антенне как по распределению тока на ее поверхности, так и по поляризационным свойствам.
Рис. 22. Щелевая цилиндрическая антенна.
1 — ферритовый сердечник; 2 — питающий кабель; 3 — щель; 4 — проводящий цилиндр; 5 — основание.
Поверхность ее представляет собой виток, причем диаметр витка (для воздушной щелевой антенны) составляет примерно треть, а высота антенны — несколько больше половины длины волны. Действующая высота щелевой антенны равна длине щели, а входное сопротивление зависит от точки подсоединения кабеля и изменяется от 600 до 150 ом. Эта антенна обладает резонансными свойствами, причем частота резонанса определяется длиной щели при условии, что диаметр цилиндра должен быть достаточным во избежание шунтирования витком малой индуктивности. С помощью феррита можно сократить диаметр цилиндрической щелевой антенны примерно в число раз, равное, корню из действующей магнитной проницаемости сердечника.
Не менее перспективна антенна, основанная на использовании эффекта Холла. Как уже говорилось, ферритовый сердечник может быть использован в качестве концентратора магнитного поля, воздействующего на датчик. В этом случае датчики целесообразно поместить в малый зазор между двумя стержнями — концентраторами, тогда магнитный поток в зазоре Ф3=kФ, где k может быть порядка 0,25. Расчеты показывают, что в настоящее время «вольтовая» чувствительность датчиков является недостаточной для конструирования эффективных антенн, однако в будущем подобные антенны представляются вполне реальными.
Регулировка индуктивности
При конструктивном расчете ферритовой антенны следует учесть возможность регулировки индуктивности антенной катушки после ее установки в приемнике. Чаще всего это производится перемещением антенной катушки вдоль стержня, что позволяет изменять индуктивность на 20%. Другой способ регулировки осуществляется путем изменения зазора между двумя половинками сердечника (рис. 39, а).
Рис. 39. Антенна с регулируемым воздушным зазором.
а — устройство антенны (1 — держатель, 2 — каркас, 3 — обмотка,
4 — держатель с винтовым отверстием, 5 — фланец с ходовой нарезкой);
б — график изменения индуктивности при изменении зазора.
На рис. 39,б показана зависимость индуктивности антенной катушки от величины зазора 8 между половинками сердечника, изготовленного из феррита 20ВЧ. Применяя ферриты с большей магнитной проницаемостью, можно добиться большего частотного перекрытия. Существует еще один способ регулировки индуктивности антенны, заключающийся в изменении расстояния между секциями антенной катушки (рлс. 40). Такая регулировка благодаря весьма большому диапазону изменения индуктивности может быть использована как основной способ настройки ферритовой антенны, позволяя обойтись без конденсатора переменной емкости.
Рис. 40. Регулировка индуктивности путем изменения расстояния между секциями.
1 — сердечник; 2 — секция катушки; 3 — пружина; 4 — шкив; 5 — точка крепления: 6 — нить.
Чтобы уменьшить длину соединительных проводов, ферритовую антенну надо устанавливать как можно ближе к входному каскаду. Вблизи от антенны не должно быть короткозамкнутых витков. Закреплять антенну надо в держателях с мягкими прокладками. Во избежание увеличения собственной емкости антенна должна быть удалена от шасси на расстояние не менее 3 см, а также максимально удалена от трансформаторов и электродинамического громкоговорителя.
Сопутствующие статьи:
- Комнатные телевизионные ферритовые антенны
- Широкодиапазонная компенсированная ферритовая антенна
- Симметрирующие устройства и антенные трансформаторы на ферритах
- Ферритовая антенна для определения направления распространения радиоволн
Источник:
Хомич В.И. Приемные ферритовые антенны (2-е изд.). МРБ Вып.485, 1963 г.
Материал подготовил RA3TOX.