ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

Исследование основных параметров магнитной рамочной aнteнны

1. Цель работы

Ознакомиться с основными теоретическими сведениями о рамочных антеннах. Экспериментально исследовать и оценить основные параметры рамочной антенны.

2. Краткие теоретические сведения

Рамочная антенна представляет собой один или несколько последовательно соединенных витков провода, расположенных обычно в вертикальной плоскости. Диапазон использования рамочных антенн достаточно широк от ДВ до УКВ. В диапазонах ДВ и СВ такая антенна применяется при решении задач радиопеленгования, в диапазонах КВ, УКВ – для осуществления радиосвязи.

Из-за небольших размеров рамки по сравнению с длиной волны в ДВ и СВ диапазонах ток распределяется вдоль провода рамки с неизменной амплитудой. Вертикальные размеры рамки могут быть от десятка сантиметров до нескольких десятков метров. Применяют рамочные антенны в основном для приема радиосигналов.

Рассмотрим плоскую вертикальную антенну, состоящую из одного или нескольких близко расположенных витков произвольной формы малых размеров по сравнению с длиной волны . Определим ЭДС, наводимую в ней при падении на нее вертикально поляризованной волны, приходящей с горизонтального направления.

Плоскость рамки совпадает с плоскостью ХОУ, а плоскость, в которой рамочная антенна проявляет направленные свойства (азимутальная плоскость) совпадает с плоскостью ZOY (рисунок 1).

Направление прихода волны образует угол относительно плоскости рамки.

Вектор Н составляет угол относительно оси рамки OZ и лежит в горизонтальной плоскости (параллельной УОZ).

Комплексная амплитуда ЭДС, наводимой в каждом витке, определяется скоростью изменения магнитного потока , пронизывающего рамку:

(1)

ЭДС в рамке будет наводиться за счет составляющей вектора напряженности магнитного поля Н, перпендикулярного плоскости рамки:

, (2)

Тогда , (3)

где - абсолютная магнитная проницаемость среды, в которой расположена рамочная антенна; S – площадь, охватываемая витком рамки.

Напряженность магнитного поля изменяется по гармоническому закону во времени и ее комплексное значение задано выражением:

, (4)

где - амплитуда напряженности магнитного поля; - угловая частота передатчика; - начальная фаза напряженности магнитного поля в точке наблюдения.

Подставим (4) в (3) и далее в (1). В результате подстановки получим:

(5)

Для воздушной среды абсолютная магнитная проницаемость приравнена к абсолютной магнитной проницаемости вакуума и составляет , угловая частота и комплексная амплитуда напряженности магнитного поля определены как ;.

С учетом сделанных замечаний получим следующую комплексную амплитуду ЭДС, наведенной на рамочной антенне:

. (6)

Учтем, что скорость света составляет . Тогда

. (7)

Если рамочная антенна состоит из нескольких последовательно соединенных витков числом N, то комплексная амплитуда ЭДС определяется как

. (8)

Амплитуда ЭДС есть модуль полученного выражения. Тогда

. (9)

Если волна приходит с направления, совпадающего с плоскостью рамки или , то

(10)

Действующая высота (длина) рамки есть коэффициент пропорциональности между амплитудой наведенной на рамочной антенне ЭДС и амплитудой напряженности электрического поля в точке приема. Тогда она определена выражением

(11)

Нормированная ДН рамочной антенны имеет вид правильной восьмерки с максимумами в плоскости рамки и минимумами в направлениях, перпендикулярных плоскости рамки, в полярной системе координат.

Нормированная диаграмма приемной рамочной антенны в азимутальной плоскости приведена на рисунке 2.

Рис.2. Нормированная диаграмма направленности рамочной антенны

в азимутальной плоскости

Из выражения (5) следует, что амплитуда ЭДС рамки пропорциональна абсолютной магнитной проницаемости среды.

Если намотать рамку на магнитодиэлектрический сердечник (рисунок 3) с абсолютной магнитной проницаемостью большей, чем у воздуха, то амплитуда ЭДС на рамочной антенне возрастет.

Р

Рис. 3

амки, намотанные на сердечники, иногда называют магнитными антеннами. В качестве материала для стержневых сердечников используют магнитодиэлектрики: альсифер (сплав алюминия, кремния и железа), ферриты, карбонильное железо и др. У стержневых сердечников из-за размагничивающего действия полюсов происходит уменьшение абсолютной магнитной проницаемости и тем больше, чем короче стержень по сравнению с поперечными размерами. Поэтому амплитуда ЭДС рамки с сердечником определяется как:

. (12)

где - эффективная относительная магнитная проницаемость сердечника, определяемая из графиков , приведенных в справочной литературе.

Реактивная составляющая входного сопротивления рамки имеет индуктивный характер и для настройки рамки в резонанс включается конденсатор, переменной емкости. При этом действующая длина настроенной рамки возрастает в Q раз, где Q - добротность контура рамки, достигающая значения 200-300.