Действующая высота приемной магнитной рамочной антенны

Понедельник , 4, Июль 2016 Комментарии к записи Действующая высота приемной магнитной рамочной антенны отключены

Рис.1. Рамочные антенны в армейской лаборатории Эдвина Говарда Армстронга, Париж, 1917г.

Действующая высота приемной антенны

По своему физическому смыслу действующая высота приемной антенны — это коэффициент, устанавливающий зависимость величины напряжения сигнала на выходных контактах приемной антенны с интенсивностью действия электромагнитной волны в точке приема, которая обычно выражается через напряженность создаваемого волной переменного электрического поля в этой точке:

(1)

где:

— напряжение принимаемого сигнала на выходных клеммах приемной антенны, В;
— действующая высота приемной антенны, м;
E — напряженность электрического поля, создаваемого электромагнитной волной в точке приема, В/м.

Таким образом, действующая высота стала параметром приемных антенн, по которому сравнивают их эффективность по преобразованию энергии радиоволны в напряжение принимаемого сигнала.

При распространении в вакууме или воздухе электромагнитная волна создает в точке приема электромагнитное поле, электрическая E и магнитная H составляющие которого связаны соотношением:

(2)

где:

— электрическая постоянная;
— магнитная постоянная.

Поэтому действующей высотой можно характеризовать не только электрические, но и магнитные приемные антенны, сравнивая их по эффективности как друг с другом, так и с электрическими приемными антеннами, причем независимо от их исполнения: активные ли они (с требующим электропитания встроенным антенным усилителем) или пассивные (электропитания не требуют). Ведь назначение любой приемной антенны — это преобразование энергии электромагнитной волны в электрический сигнал, подаваемый на вход радиоприемника.

Одновитковая рамка в электромагнитном поле

Возьмем в качестве простейшей приемной магнитной антенны одновитковую проволочную рамку (см. рис.2) и рассмотрим воздействие на нее электромагнитной волны, длина которой много больше линейных размеров рамки. В этом случае фаза тока, наведенного в рамке магнитной составляющей созданного электромагнитной волной электромагнитного поля, всегда практически одна и та же по всей длине провода рамки и распределение тока по проводу рамки не имеет волнового характера. То есть мгновенное значение переменного тока в проводе рамки одинаково на всех его участках, поэтому при определении э.д.с. на выходных клеммах такой рамочной антенны можно пользоваться простейшими законами электромагнитной индукции.

Рис.2. Одновитковая проволочная рамка.

Согласно закону электромагнитной индукции электродвижущая сила (э.д.с.) в проволочной рамке, наводимая в ней переменным магнитным полем, равна скорости изменения потока магнитного поля сквозь поверхность, охваченную этой рамкой:

(3)

Поток магнитного поля через поверхность S, охваченную рамкой, равен скалярному произведению вектора магнитной индукции и вектора , модуль которого равен площади поверхности S, охваченной рамкой, и направленного перпендикулярно этой поверхности:

(4)

где:

— магнитная индукция, создаваемая электромагнитной волной в точке приема, Тл.

Поскольку направленные свойства магнитных антенн не являются предметом данной статьи и чтобы избежать лишних упражнений в тригонометрии, примем, что наша рамка расположена в плоскости, совпадающей с направлением распространения электромагнитной волны, т.е. повернута в направлении максимального уровня принимаемого сигнала. В этом случае вектор магнитной составляющей электромагнитного поля в любой момент времени расположен в плоскости, перпендикулярной плоскости рамки. Пусть его проекция на нормаль к плоскости рамки изменяется по гармоническому закону:

(5)

где:

Ha — амплитуда изменения напряженности магнитного поля, А/м;
— это т.н. круговая частота сигнала, рад/с.

Тогда поток магнитного поля через поверхность S, охваченную рамкой, будет изменяться с той же закономерностью:

(6)

Определим мгновенное значение э.д.с., наводимой в проволочной рамке переменным магнитным полем:

(7)

Таким образом, под действием гармонически изменяющейся напряженности магнитного поля (5), создаваемого электромагнитной волной в точке приема, напряжение сигнала на выходных контактах ненагруженной одновитковой рамочной антенны, равное по величине наведенной в рамке э.д.с., будет также изменяться по гармоническому закону (7), с той же частотой и амплитудой:

(8)

Поскольку величина напряжения сигнала на выходных контактах приемной антенны это ещё и произведение (1) действующей высоты антенны на напряженность электрического поля, создаваемого электромагнитной волной в точке приема, то можно приравнять друг другу правые части выражений (1) и (8):

(9)

где:

Ea — амплитуда изменения напряженности электрического поля в точке приема, В/м.

Принимая во внимание связь электрического и магнитного полей в точке приема (2), откуда следует что:

(10)

а также связь электрической и магнитной постоянных:

(11)

откуда следует что:

(12)

где:

c = 299 792 458 м/с — скорость света в вакууме;

находим выражение для действующей высоты одновитковой рамочной антенны:

Итак, действующая высота одновитковой рамочной антенны пропорциональна площади охватываемой рамкой поверхности и частоте сигнала:

(13)

Действующая высота многовитковой рамочной антенны

Если рамочная антенна выполнена в виде нескольких витков провода, расположенных в непосредственной близости друг от друга, то э.д.с., наведенная в такой приемной антенне, будет равна сумме э.д.с., наведенных в каждом из витков:

(14)

где:

Si — площадь поверхности, охваченной каждым витком;
n — количество витков.

Из выражения (14) следует, что действующая высота многовитковой рамочной антенны равна:

(15)

Почти всегда форма и размеры всех витков многовитковой рамочной антенны одинаковы, а значит и значения площади поверхности, охваченной каждым из витков, также равны. В этом случае справедливо записать:

Тогда действующая высота многовитковой рамочной антенны определяется выражением:

(16)

Итак, действующая высота многовитковой рамочной антенны, состоящей из n одинаковых витков провода, в n раз больше одновитковой рамки таких же размеров.

Действующая высота резонансной рамочной антенны

В резонансной рамочной антенне проволочная рамка работает как катушка индуктивности L в составе колебательного контура, настроенного переменным конденсатором C в резонанс с принимаемым сигналом (см. рис.3).

Рис.3. Резонансная рамочная антенна.

Пусть э.д.с., наводимая в рамке электромагнитной волной, в соответствии с выражением (1) равна:

где:

— действующая высота нерезонансной рамочной антенны, определяемой выражением (16), м;
E — напряженность электрической составляющей электромагнитного поля, созданного электромагнитной волной в точке приема, В/м.

Эквивалентная схема включения такой рамки в состав колебательного контура в качестве катушки индуктивности приведена на рис.4. Катушка индуктивности L на схеме — это проволочная рамка с индуктивностью L, а источник э.д.с. eg — эквивалент наводимой в рамке внешним магнитным полем э.д.с. принимаемого сигнала. Конденсатором C производится настройка колебательного контура в резонанс с принимаемым сигналом. Резистором rk на схеме представлено совокупное эквивалентное сопротивление потерь в элементах реального колебательного контура.

Рис.4. Эквивалентная схема резонансной рамочной антенны.

Как показано в [1], при настройке такого колебательного контура в резонанс с принимаемым сигналом напряжение на выходных клеммах резонансной рамочной антенны будет во много раз больше наведенной в рамке э.д.с.:

(17)

где:

Q — добротность колебательного контура;
— действующая высота резонансной рамочной антенны, м.

Таким образом значение действующей высоты резонансной рамочной антенны в Q раз больше чем у нерезонансной рамочной антенны таких же размеров:

(18)

где:

n — количество витков провода в рамке;
S — площадь поверхности, охваченной рамкой, м2;
— круговая частота сигнала, рад/с;
Q — добротность колебательного контура с рамкой в качестве контурной катушки индуктивности;
c — скорость света в вакууме.

Действующая высота активной приемной антенны

Приемные рамочные антенны часто выполнены как активные, то есть со встроенным антенным усилителем, требующим электропитания. Как отмечено в [2], активная приемная магнитная антенна должна рассматриваться как единый, функционально законченный узел. Её нельзя разделить на пассивную и активную части, её нельзя рассматривать как обычное последовательное соединение функционально законченных узлов. Такой подход обусловлен тем, что «собственно антенна», то есть та часть устройства, которая непосредственно преобразует энергию радиоволн в э.д.с., работает как источник сигнала с комплексным выходным сопротивлением, к которому подключен активный четырехполюсник — антенный усилитель. И «собственно антенна» как источник сигнала, и антенный усилитель согласованы друг с другом как единое целое, как функционально законченное устройство, к выходу которого, в свою очередь, так же, как и к пассивной антенне, уже можно подключить, например, коаксиальный кабель любой длины, радиоприемник и т.п.

Как уже было отмечено, действующая высота приемной антенны по своему физическому смыслу представляет собой характеризующий антенну своего рода коэффициент преобразования интенсивности действия электромагнитного поля в точке приема в напряжение принимаемого сигнала на выходных клеммах антенны. Ничто не мешает использовать эту характеристику применительно и к активным антеннам, при проектировании и изготовлении которых надо лишь учитывать как действующую высоту «собственно антенны», так и усилительные свойства встроенного антенного усилителя.

©Задорожный Сергей Михайлович, 2016г.

Литература:

  1. Н.М.Изюмов, Д.П.Линде, «ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ», М.,Л.; «ЭНЕРГИЯ», 1965г., ГЛАВА ВТОРАЯ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, 2-7. ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ В ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМ КОНТУРЕ.
  2. Курочкин А.Е., Теоретические основы активных магнитных антенн: учебно-методическое пособие по дисциплине «Радиоприемные устройства» для студентов специальности «Радиотехника»; БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ, Министерство образования Республики Беларусь; Минск, 2002 г.