Электрическая антенна

1.1 Электрическая антенна

В качестве электрической антенны ~ЭА` использовался емкостной зонд, представляющий собой изолированный металлический электрод, поднятый над уровнем земли на стальной мачте. Принцип действия антенн такого типа был подробно проанализирован в работе [62]. Эквивалентная схема емкостной антенны, размеры которой малы по сравнению с длиной волны в диапазоне СНЧ-СДВ, представлена на Рис. 1.2. Здесь введены следующие обозначения:

–  С - собственная емкость активного электрода

–  С - входная емкость антенного усилителя

–  R - входное сопротивление антенного усилителя

–  е = h E - потенциал, наводимый на активном электроде антенны

–  E - вертикальная компонента напряженности электрического поля

–  h - действующая высота ЭА, которая в случае плоской идеально проводящей Земли близка к удвоенной геометрической высоте подъема зонда над поверхностью`.

Следовательно, эквивалентом электрической антенны на высоких частотах является емкостной делитель. Коэффициент передачи в этом случае не зависит от частоты сигнала, а определяется исключительно отношением емкостных параметров эквивалентной схемы. Чтобы достичь максимального коэффициента передачи, необходимо уменьшать входную емкость антенного усилителя. С другой стороны, в случае, когда есть запас по чувствительности приемника, увеличение С позволяет расширить рабочий диапазон в сторону нижних частот. При заданной частоте среза за счет увеличения С можно уменьшить входное сопротивление антенного усилителя. Это повышает его стабильность при воздействии неблагоприятных атмосферных условий. На нижних частотах, где справедливо условие:

wR (C + C )<<1 ,

имеет место следующее выражение:

K = iwC R ,

т.е., эквивалентом нашей электрической антенны является дифференциальная цепь первого порядка с крутизной спада АЧХ в сторону нижних частот 6 дБ/окт. Собственная емкость применяющихся антенн составляла в различных экспериментах от 10 до 40 пФ. Оценим величину входного сопротивления антенного усилителя, необходимого для получения равномерной амплитудно-частотной характеристики ~АЧХ` антенны выше 1 кГц при емкости антенны С = 40 пФ.

Для обеспечения требуемого высокого входного сопротивления и согласования антенны с соединительным кабелем непосредственно в корпус антенны был установлен усилитель с полевым транзистором во входной цепи, обеспечивающий малую входную емкость [30]. Подача питания осуществлялась по сигнальному кабелю. С целью подавления высокочастотных помех, возбуждаемых в антенне и в соединительном кабеле сигналами радиостанций, результаты детектирования которых во входных цепях могут значительно повысить уровень помех в рабочем диапазоне частот, на входе антенного усилителя и на выходе кабеля были включены пассивные интегрирующие RC-цепи 1-го порядка, настроенные на частоту около 100 кГц.

1.2 Магнитная антенна

В настоящем параграфе получена оценка эффективной площади магнитной антенны ~МА` с ферромагнитным сердечником, а также вытекающие из нее рекомендации по выбору типа сердечника.

При измерениях низкочастотных магнитных полей в качестве магнитных антенн обычно применяют проволочные соленоиды с ферромагнитным или воздушным сердечником. Главной характеристикой таких антенн является величина Э.Д.С., развиваемой на зажимах соленоида, при заданном внешнем магнитном поле фиксированной частоты. Эта величина зависит от эффективной площади магнитной рамки, которая в свою очередь определяется материалом сердечника, его размерами, числом витков обмотки, их средней площадью.

При расчете магнитной антенны возникает задача максимизации эффективной площади, что на первый взгляд связано с варьированием четырех перечисленных выше параметров. Можно показать, что эффективная площадь магнитной рамки с сердечником, а значит и ее чувствительность, фактически определяется не четырьмя, а двумя параметрами.

Эффективная площадь МА с сердечником равна [29,42]

S = pb m N. (1.2.1)

Здесь предполагается, что сердечник из материала с эффективной магнитной проницаемостью m имеет форму вытянутого сфероида с полуосями a > b = c, а N - число витков соленоида.

Для эллипсоидального сердечника конечных размеров m оказывается меньшим, нежели m магнитного материала. Это уменьшение описывается известным коэффициентом размагничивания і [29, 42, 19]. Последний определяется геометрическими параметрами сердечника. При этом оказывается, что использование материалов с высоким m оказывается выгодным только в случае сильно вытянутых сердечников. На практике эксплуатация таких антенн сопряжена с целым рядом неудобств (например, вибрационные помехи), поэтому как правило выполняется условие і>>1/m.

Эффективная магнитная площадь реальных антенн с точностью до слагаемых порядка a /mb<<1 связана исключительно с геометрическими параметрами, а влияние магнитной проницаемости m носит поправочный характер. Сохраняя главный член в формуле (2.2) получим сравнительно простое соотношение:

Как видно, S определяется в основном числом витков соленоида N и длиной сердечника 2a. Причем она равна примерно площади воздушной рамки с тем же числом витков, если их диаметр равен длине сердечника 2a. Насколько нам известно, это обстоятельство в литературе не отмечалось.

Таким образом, при m>>a/b увеличение проницаемости сердечника не дает заметного выигрыша в чувствительности. Этим, по-видимому, и объясняется близость размеров всех низкочастотных МА, используемых в практике измерений [8].

Полученная выше приближенная формула (1.2.3) существенно упрощает расчет и позволяет сделать следующие практические выводы.

1)  Реальные магнитные антенны удовлетворяют условию m(b /a )>>1, поэтому их эффективная площадь зависит от числа витков обмотки и длины сердечника.

2)  При фиксированной длине стержня 2a эффективная площадь тем больше, чем больше толщина сердечника.

3)  При фиксированном радиусе сердечника b эффективная площадь монотонно возрастает с увеличением длины стержня, пока не достигает наибольшего значения, определяемого проницаемостью материала сердечника.

4)  Магнитные антенны с воздушным и ферромагнитным сердечниками, имеющие одинаковое количество витков обмотки, обладают примерно одинаковой эффективной площадью, если диаметр воздушной рамки равен длине ферромагнитного сердечника.

Таким образом, проблема сердечника для магнитной антенны сводится к выбору одномерной конструкции с ферромагнитным сердечником или двумерной - с воздушным, при линейных размерах одного порядка.

Последнее обстоятельство учитывалось при выборе воздушной рамки в качестве МА для широкополосных измерений. Это позволило без потери чувствительности избавиться от таких проблем, как насыщение ферромагнитного сердечника внешним

постоянном магнитном полем Земли, собственные шумы феррита и т.п., присущих МА с ферромагнитными сердечниками.

В качестве приемных антенн магнитного поля использовались экранированные воздушные рамочные антенны, входящие состав промышленного СДВ приемника ПК-66. Для обеспечения требуемой широкой полосы рабочего диапазона рамки были модифицированы путем удаления элементов резонансного контура, встроенных в корпуса антенн. Обмотка антенны содержит 60 витков провода, диаметр антенны составляет 80 см.