DE2235958A1 - ANTENNA SYSTEM - Google Patents
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Description
hOMSEN - TlEDtKB BÜHLmCU*i*cncoHOMSEN - TlEDtKB B ÜHLmC U * i * cnco
TEL. (OS11) 53 M11 TELEX; 5-24303 lopat 2235958 TEL. (OS11) 53 M11 TELEX; 5-24303 lopat 2235958
M11M11
F4 ATE N Χ A N WALTEF 4 ATE N Χ AN WALTE
Dlpl.-Ing. H. Tledtke (Fuchihohl 71) Dipl.-Chern. Q1 BühllngDlpl.-Ing. H. Tledtke (Fuchihohl 71) Dipl.-Chern. Q 1 Bühllng
Dipi.-iiiä. B. Kinne ;; -."■ : ; Dlpl.-Chem. Dr. U, EggersDipi.-iiiä. B. Chins ;; -. "■:; Dlpl.-Chem. Dr. U, Eggers
8 000 München 28,000 Munich 2
Matshüshita Eleötric Industrial Cö»» Ltd» Osaka t JapanMatshüshita Eleotric Industrial Co. Ltd. Osaka t Japan
AntennensysteinAntenna system
Die Erfindung bezieht sich auf Antenneriaysteire» die einen Magnetkern verwenden,The invention relates to antennas use a magnetic core,
Mit der Erfindung wird ein Antennensystem gesehaffen» das einen Magnetkern besitiat, der mit auf ihn gewiekelten Bpuiieh versehen ist-t um Zeitänderungen der Rernpermeäfeilität und Änderungen der Induktivitäten der auf dem i&eim With the invention, an antenna system is gesehaffen "the besitiat a magnetic core, which is provided with threaded disgusted him Bpuiieh - t to time changes of Rernpermeäfeilität and changes in the inductances of the on the i & eim
κ» Antennenspule und Äusgangsspule zu verursäclien Äür parametrl*κ »Antenna coil and output coil to cause Äür parametrl *
«ö sehen Verstärkung des Empfangssignals» um dadurch elfiö ver» ^ stärkte Antennenaüsgangsleistung au erhalten*«Ö see amplification of the received signal» to thereby elfiö ver » ^ get stronger antenna output power *
■·** Mit der Erfindung wird ferner ein Antennensystem mit einem Permanent magnet en seöehaffen, duren denThe invention also provides an antenna system with a permanent magnet en seöehaffen, duren den
MOndilcii» Abrwtün, Intbctöftdtt* durch T«l»fon, b*dürf*n schrlflllch*r BeWIllgang Po«t«(*»dt (Münchtn) Kto 11M74 Or»tdn«r'BiinK (M0n*»n) Klo. 8!β470Ι MOndilcii » Abrwtün, Intbctöftdtt * by T« l »fon, b * may * n schrlflllch * r BeWIllgang Po« t «(*» dt (Munich) Kto 11M74 Or »tdn« r 'BiinK (M0n * »n) Klo. 8! Β470Ι
Mit der Erfindung wird weiterhin eine Reihenantenne geschaffen, die aus einer Anzahl der vorstehend genannten Antennensysteme, die als Antennenelemente verwendet werden, besteht, und deren Richtcharakteristiken nach Bedarf durch die Einstellung der Amplitude und Phase der parametrischen Pumpquellen für die einzelnen Antennenelemente gesteuert werden können.The invention also provides a series antenna which is composed of a number of the above-mentioned antenna systems which are used as antenna elements and their directional characteristics can be controlled as required by adjusting the amplitude and phase of the parametric pump sources for the individual antenna elements.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematiecher Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert*The invention is illustrated below with reference to schematiecher Drawings of exemplary embodiments explained in more detail *
Pig· 1 zeigt ein bekanntes Antennensystem mit einem Magnetkern;Pig * 1 shows a known antenna system with a magnetic core;
Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung von Induktivitäten und Gegeninduktivitäten gegenüber einem Gleichetrom in dem bekannten Antennensystem nach Fig. 1;Figure 2 shows a graph of inductances and mutual inductances versus one Gleichetrom in the known antenna system according to Fig. 1;
Fig. 3 «eigt eine Äquivalentschaltung für eine Ausführungeform des erfindungegemäßen Antenneney et eins;3 shows an equivalent circuit for an embodiment of the Antenneney et one according to the invention;
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Pig. 5 zeigt ein Magnetfeld, das in dem Magnetkern des Antennensystems nach Fig. 4 durch einen in einer Pumpspule fließenden Strom eingestellt wird;Pig. 5 shows a magnetic field in the magnetic core of the antenna system according to FIG. 4 by a current flowing in a pump coil is set;
Pig, 6 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Experimentieranordnung, die den Anschluß einer Signalquelle und einer Last an das Antennensystem nach Fig. i\ zeigt;Pig, Fig. 6 is a perspective view of an experimental arrangement showing the connection of a signal source and a load to the antenna system of Fig. 1 ;
Fig. 7 zeigt in einer graphischen Darstellung den bei der Anordnung nach Fig. 4 erhaltenen Leistungsübertragungsgewinn, der über dem Innenwiderstand R aufgetragen ist, wobei der Lastwiderstand R, als Parameter verwendet wird;FIG. 7 shows in a graphic representation that obtained with the arrangement according to FIG Power transmission gain, which is plotted against the internal resistance R, where the Load resistance R, used as a parameter;
Fig. 8 bis 11 zeigen perspektivische Ansichten von anderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Antennensystems;8 to 11 show perspective views of other embodiments of the invention Antenna system;
Fig. 12 zeigt eine perspektivische1 Ansicht der mit Spulen versehenen Ausfuhrungsform nach Fig. 8;Fig. 12 is a perspective view of the embodiment 1 provided with coils of FIG. 8;
Fig. 13 zeigt eine perspektivische Ansicht der mit Spulen versehenen AusfUhrungeform nach Fig. 10; undFigure 13 is a perspective view of the spooled embodiment of Figure 10; and
Fig. ΙΊ zeigt eine bildliche Darstellung einer erfin-209885/1249 Fig. ΙΊ shows a pictorial representation of an invented 209885/1249
dungegemäßen Reihepantpnne.improper row pantpnne.
gin bekanntes Antennensystem mit $l$p$ Magjjfjtkejin in Fig. 1 gezeigt, worin die Bezugsziffer I pin^n.' kern btaeiehnet, der aus zwei getrennte)} ^gin known antenna system with $ l $ p $ Magjjfjtkejin shown in Fig. 1, wherein the reference number I pin ^ n. ' kern btaeiehnet, made up of two separate)} ^
die mit einer darauf gewickelten Antennenspule 2 versehen jDijB bjB|.<|e^ Kprn^bsciinitte 1 pind aber eirjei? Iphnitt 3 zugammengekoppelt, auf den eine ^usgangsspule |f|.ckgl|t |(5jb. In Verbindung mit den iwhich are provided with an antenna coil 2 wound on it jDijB bjB |. <| e ^ Kprn ^ bsciinitte 1 pind but eirjei? Iphnitt 3 coupled together, to which an output coil | f | .ckgl | t | (5jb. In connection with the i
ein wiiffcerer K?rn 5 vorgeisehen. #uf deipa wiiffcerer grain 5 provided. #uf deip
(6 gewickelt, per durch den 3jbr,opi| de_ρ 1 dein Ke^ 5 ^^(6 wrapped, per through the 3jbr, opi | de_ρ 1 your Ke ^ 5 ^^
der Jf^j the J f ^ j
djen bp|.d^ Teilpn der Anfcenn^nspulje ? ierftr.j?|Ck||p.djen bp | .d ^ Teilpn der Anfcenn ^ nspulje? ierftr.j? | Ck || p.
f f|f. ? «eigt die Induk|biyi|b^tfn JLa if^d ^i der/ Ap-2 und der Ausgangs spule k und dip Qegeij|L|riduk|ti^| zwischen diesen Spulen; diese Induktivitäten sind iijber ent Werten eines in der Puinpspule 6 f|.ie^endfijff | f. ? The Induk | biyi | b ^ tfn JLa if ^ d ^ i of the / Ap-2 and the output coil k and dip Qegeij | L | riduk | ti ^ | between these coils; These inductances are over the values of one in the pulse coil 6 f | .ie ^ endfij
^fie aus Fig. 2^ fie from Fig. 2
#« 'fP^tWfcät La der Ant^n^pspufe 2
Ι||β mifijC^strpine kaum, während sich dfe Iijduk|biyi^t
il und die Oegeninduktiyität M merkb'ar'
gij)ß^e?.lung des qieichstroms auf' ein'e'n
fef,chung jeiner optimalen
ep,uJe t unij der ^usgangsspule :^l kann
der Fre^uen« des Pumps|troms geändert werden^ §ßv der# «'FP ^ tWfcät La der Ant ^ n ^ pspufe 2 Ι || β mifijC ^ strpine hardly, while dfe Iijduk | biyi ^ t il and the Oegeninduktiyität M merkb'ar' gij) ß ^ e? .Lung of the qieichstroms on 'ein'e'n fef, chung each optimal
ep, uJe t unij of the output coil : ^ l the fr ^ uity of the pumping current can be changed ^ §ßv der
INSPECTEDINSPECTED
Bei dem bekannten Antennensystem nach Pig. I wird die Gegeninduktivität zwischen der Antennenspule 2 und der AusgangBBpule Ί zur Änderung bei der Pumpfrequenz gebracht, was zur parametrischen Verstärkung eines von der Antenne empfangenen Signals und zum Erreichen eines verstärkten Antennenausgangssignals führt.In the known antenna system according to Pig. I will the mutual inductance between the antenna coil 2 and the outputBBpule Ί changed in the pump frequency, resulting in parametric amplification of a signal received by the antenna and achieving an amplified antenna output signal leads.
Die Änderung der Gegeninduktivität ist dabei Änderungen der Permeabilität des Magnetkerns 3 zuzuschreiben. Demgemäß ist es zum Erhalten von großen Änderungen der Gegeninduktivität bei kleinem Pumpstrom nötig,,eine im Vergleich zu der Reluktanz (magnetischer Widerstand) des Kerns 1 ausreichend hohe Reluktanz des Kerns 3 zu wählen, um beim Betrieb Sättigung des Kerns zu erhalten. Bei dem obigen Aufbau, bei dem der Kern 1 in zwei getrennte Abschnitt unterteilt ist, ist der Antennenwirkungsgrad jedoch sehr niedrig; Ebenso ist bei einer solchen Anordnung der Kerne 1 und 5 gemäß Darstellung in Fig. 1 eine beträchtlich große Pumpleistung und Gleichstromleistung zur Aktivierung dieser Kerne 1 und 5 erforderlich. Ferner ist der Leckfluß beträchtlich groß.The change in the mutual inductance is attributable to changes in the permeability of the magnetic core 3. Accordingly it is necessary to obtain large changes in mutual inductance with small pumping current, one compared to the Reluctance (magnetic resistance) of the core 1 to choose sufficiently high reluctance of the core 3 to saturate during operation of the core. In the above structure in which the core 1 is divided into two separate sections, the Antenna efficiency, however, very low; Likewise, with such an arrangement of the cores 1 and 5 as shown in Fig. 1 requires a considerably large pump power and direct current power to activate these cores 1 and 5. Furthermore is the leakage flow is considerably large.
Mit,, der Erfindung werden die vorstehend genannten Nachteile, die dem konventionellen Antennensystem anhaften, durch Verbesserungen des Kernaufbaus und des Wicklungsverfahrens der Spulen beseitigt, so daß die Verstärkung extrem vergrößert ist.With ,, the invention are the aforementioned Disadvantages inherent in the conventional antenna system due to improvements in the core structure and the winding process of the coils is eliminated, so that the gain is extremely increased.
Der Wirkungsgrad des konventionellen Antennensystems 209885/1249 The efficiency of the conventional antenna system 209885/1249
lit niedrig« da ea hauptsächlich die Oegeninduktivität zwischen der Antennenspule und der Ausgangaspule verwendet, die sich in Abhängigkeit von dem Pumpetrom ändert, der eine Sättigung des Magnetkerne verursacht, und da es einen in zwei Abschnitte unterteilten Magnetkern verwendet. Nach der Erfindung sind der Magnetkern und die Spulen derart aufgebaut und angeordnet, ., daß zeitliche Änderungen der Permeabilität des Kerns selbst verursacht werden können und auf der Basis dieser Änderung die Oegeninduktivität zwischen der Antennenspule und der Ausgangsspule zur Erreichung eines großen Verstärkungsgrades veränderlich gemacht wird. Ebenso sind die Windungen der Pumpspule senkrecht zu den Windungen der anderen Spule angeordnet, ■o daß Kopplung zwischen dem Antennenspulenkreis und dem Ausgangsspulenkreis durch die zeitlich veränderliche Gegeninduktivität allein gebildet wird, womit die sonst mögliche Verschlechterung des Wirkungsgrades beseitigt wird. lit low «because ea mainly uses the common inductance between the antenna coil and the output coil, which changes depending on the pumping current causing saturation of the magnetic core, and since it uses a magnetic core divided into two sections. According to the invention, the magnetic core and the coils are constructed and arranged in such a way that changes in the permeability of the core itself can be caused over time and, on the basis of this change, the external inductance between the antenna coil and the output coil is made variable in order to achieve a high degree of amplification. Likewise, the turns of the pump coil are arranged perpendicular to the turns of the other coil, ■ o that coupling between the antenna coil circuit and the output coil circuit is formed solely by the mutually variable inductance, which eliminates the otherwise possible deterioration in efficiency.
Die erfindungsgemäßen Betriebsprinzipien werden zuerst in Verbindung mit Pig. 3 erläutert, worin eine Äquivalentschaltung für das erfindungegemäße Antennensystem gezeigt ist. In Fig. 3 repräsentiert L(t) eine Äquivalentinduktivität, die Änderungen der Induktivitäten der Antennenspule und der Ausgangsspule infolge von zeitlichen Änderungen der Permeabilität des Magnetkerns berücksichtigt. Der Kreis auf der linken Seite der Induktivität L(t) (im folgenden als Signalkreis bezeichnet) besteht aus einer AntennenspulenabStimmreaktanz X^. Hier repräsentieren V„ und FT die an der Antennenspule induzierte Anschlußspannung bzw. den Widerstand an den Antennen*-The principles of operation of the present invention are discussed first in connection with Pig. 3 explains where an equivalent circuit is shown for the antenna system according to the invention. In Fig. 3, L (t) represents an equivalent inductance, the changes in the inductances of the antenna coil and the output coil as a result of changes in permeability over time of the magnetic core taken into account. The circle on the left of the inductance L (t) (hereinafter referred to as the signal circle) consists of an antenna coil tuning reactance X ^. Here, V ”and FT represent those induced on the antenna coil Connection voltage or the resistance at the antennas * -
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BpulenanechlÜBsen bei fles onanz. Der Kreis, auf Je;r^r.echjkei*. Seite der Induktivität Lit) (im fojgenden als. Ausipnpkpelf bezeiebnet.)' besteht aus einer Ausgangs/spule,nabst4ijmjj?eaktaij55 3U und einer Last H,,.- In dieser ^uiv^lenzgchaltung Egpj?äf§ tiert R. den Verlustwiderstand inden .-Spulen und dem Kern· Der Gütefaktor Q des vorstehend einffahnten Kreises auf dei? iinkeri Seite von L(t), d. h. · des^ Signalkrei^es> groß. Nebenbei bemerkt ist dieser Kreis nicht unmittelbar d irgendein ßchaltungselemjen^ gekoppelt ι sondern d^r,ci| die pbjen genannt^ InduktiyitatBpulenanechlÜBsen at fles onanz. The circle, on Je ; r ^ r.echjkei *. Side of the inductance Lit) (hereinafter referred to as. Ausipnpkpelf.) 'Consists of an output coil, nabst4ijmjj? Eaktaij55 3U and a load H ,, .- In this ^ uiv ^ lenzgschaltung Egpj? Äf§tiert the loss resistance . Coils and the core · The quality factor Q of the circle traced above on the? iinkeri side of L (t), ie · of the ^ signal circle ^ es> large. Incidentally, this circle is not directly coupled to any circuit element, but rather d ^ r, ci | the pbjen called ^ inductivity
..Die Induktivität LCt)1 die sich mit. einer winkelfreijuenss ω ändert , ist allgemein gegeben jni£..The inductance LCt) 1 which deals with. a change in angular freedom ω is generally given jni £
L(t) s LQ + 2L^ cosp tL (t) s L Q + 2L ^ cosp t
Fliegen ein Signalstrom iß(t_) mit einer iiii
<|uen? «kb un4 ein T?reiberstrom ip(jb) ΐη% einer
frequens>M in die Induktivität
von L(t) au/tratendeDoes a signal stream i ß (t_) fly with a iiii <| uen? «K b un4 a driver overcurrent i p (jb) ΐη% of a frequency> M in the inductance
from L (t) au / stepped
V(t) »V (t) »
Indem man setzt:By putting:
ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED
kann man aue den Gleichungen (2) und (3) die folgenden Beziehungen zwischen Spannungen und Strömen erhalten: Using equations (2) and (3), the following relationships between voltages and currents can be obtained:
Ί~Ί ~
wobei die konjugiert komplexe Zahl to», = ^ * we repräsentiert. where the complex conjugate number to », = ^ * w e represents.
P 8P 8
i« und W3 i «and W 3
Werden die Abstimmreaktanzen X- = -If the tuning reactances X- = -
undand
g .J2C2) der Signal- und Ausgangskreise nach Fig. 3 derart eingestellt, daß diese Kreise auf die Wirikeifrequenzeri u>e bzw. ^2 abgestimmt sind, ergeben sich die Beziehungen zwischen den Spannungen und Strömen in diesen Schaltungen aus Oleichung (1O:g .J 2 C 2 ) of the signal and output circuits according to Fig. 3 are set in such a way that these circuits are matched to the Wirikeifrerechneri u> e or ^ 2 , the relationships between the voltages and currents in these circuits result from the equation ( 1 O:
Rs - R s -
Dann kann unter Verwendung der Gleichung (5) die Leistungsübertragungsverstärkung Gt2 bei ResonanzThen, using equation (5), the power transfer gain G t2 at resonance
undand
) erhalten Werden mit:) Are obtained with:
t2t2
s «Ta «TIs «Ta« TI
(6)(6)
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ORIGINAL fNSPECTEDORIGINAL fNSPECTED
wobei <χ * ' und R,- und Rm1 Gesamtserieriwiderständewhere <χ * 'and R, - and Rm 1 total series resistances
1W RT1
des Signal- bzw. Ausgangskreises sind. Das negative Vorzeichen des Nenners in, Gleichung (6) bedeutet, daß ein negativer Eingangswiderstand
durch die sich zeitlich ändernde Induktivität gebildet werden kann und ebenfalls daß Schwingungen möglich
sind. Aus Gleichung (6) ergibt sich die Bedingung für die Schwingung mit: . 1 W R T1
of the signal or output circuit. The negative sign of the denominator in equation (6) means that a negative input resistance can be formed by the inductance that changes over time and that oscillations are also possible. Equation (6) gives the condition for the oscillation with:.
d = - s ι (7) d = - s ι (7)
RTa'RTl R Ta ' R Tl
Wird der Ausgangskreis auf ^, abgestimmt, kann die Leistungsübertragungsverstärkung G., in gleicher Weise erhalten werden mit: If the output circuit is tuned to ^, the power transfer gain G., can be obtained in the same way with:
Ra R
In diesem Fall ist die maximale Verstärkung ^/lv> R a R
In this case the maximum gain is ^ / lv>
Fig. Ι zeigt ein Beispiel des Aufbaus des Antennensystems, dessen Arbeitsweise auf den vorstehend genannten Prinzipien basiert. In Fig. k bezeichnet die Bezugsziffer 7 einen magnetischen Kern, der zwei in Abstand stehende öffnungen oder Durchgänge 8 und 8· besitzt. Die Bezugsziffer 9 bezeichnet eine Antennenspule, die teilweise um den gesamten Körper des Kerns 7 gewickelt ist und bei der einige ihrer Windungen 10 durch die öffnungen 8 und 8· laufen. Die Bezugsziffer 11 bezeichnet eine Ausgangsspule, die derart gewickelt ist, daßFig. Ι shows an example of the structure of the antenna system, the operation of which is based on the above-mentioned principles. In FIG. K , the reference number 7 denotes a magnetic core which has two spaced apart openings or passages 8 and 8. The reference number 9 denotes an antenna coil which is partially wound around the entire body of the core 7 and in which some of its turns 10 run through the openings 8 and 8. Reference numeral 11 denotes an output coil which is wound so that
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ihr· gesamten Windungen durch die öffnungen θ und 8* laufen. Die Besugsziffer 12 bezeichnet eine Pumpspule, die auf den Teil dee Kerns zwischen den Offnungen 8 und 81 gewickelt ist, so daß ihre Wicklung senkrecht zur Wicklung der Antenne und der Ausgangsepulen 9 bzw. 11 liegt.all of its turns run through the openings θ and 8 *. The reference number 12 denotes a pump coil which is wound on the part of the core between the openings 8 and 8 1 so that its winding is perpendicular to the winding of the antenna and the output coils 9 and 11, respectively.
Pig. 5 zeigt das durch den Strom in der Pumpspule 12 in dem Kern 7 der vorstehend beschriebenen Konstruktion erzeugte magnetische Feld. Da Teile des Kerns 7 um die Öffnungen 8 und 8* magnetisiert sind, ist die Permeabilität dieser Teile geändert. Somit ändern sich die Induktivitäten der Antennenspule 9 und der Ausgangsspule 11, die auf die Kernteile um die öffnungen 8 und 8' gewickelt sind, mit der Pumpfrequenz. Der Kern 7 sollte zumindest zwei öffnungen, wie die vorstehend beschriebenen öffnungen 8 und 8', haben.Pig. Figure 5 shows this by the current in the pump coil 12 in the core 7 of the construction described above generated magnetic field. Since parts of the core 7 are magnetized around the openings 8 and 8 *, the permeability of these parts is changed. Thus, the inductances of the change The antenna coil 9 and the output coil 11, which are wound on the core parts around the openings 8 and 8 ', at the pump frequency. The core 7 should have at least two openings, such as the openings 8 and 8 'described above.
Ob das Antennensystem nach Pig. 1I tatsächlich nach den im vorhergehenden beschriebenen Prinzipien arbeitet, wurde mit einer in Fig. 6 gezeigten Experimentierschaltung untersucht. In dieser Schaltung sind der magnetische Kern und die Art der Wicklung der einzelnen Spulen die gleichen wie für den Aufbau nach Fig. 4, so daß sie nicht weiter beschrieben werden. Zwischen die Anschlüsse der Antennenspule 9 ist eine Signalquelle 13 mit einer Frequenz von 1 MHz und einem Innenwiderstand R geschaltet. An die Ausgangsspule 11 ist einWhether the antenna system according to Pig. 1 I actually works according to the principles described above, was investigated with an experimental circuit shown in FIG. In this circuit, the magnetic core and the type of winding of the individual coils are the same as for the structure according to FIG. 4, so that they will not be described further. A signal source 13 with a frequency of 1 MHz and an internal resistance R is connected between the connections of the antenna coil 9. To the output coil 11 is a
Lastwiderstand FL in Serie mit einem Abstimmkondensator C2 geschaltet.Load resistor FL connected in series with a tuning capacitor C 2 .
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Die vorstehend beschriebene Experimentierschaltung wurde unter parametrisehern Pumpen bei einer Pumpfrequenz von H MHz betrieben zur Messung der Leistungstibertragungsverstär— kung für eine Ausgangsfrequenz von ^O^ = 3 MHz. Die Leistungs-Übertragurigsverstärkung G^2 ergibt sich in diesem Fall aus Gleichung (6):The experimental circuit described above was operated under parametrisehern pumps at a pumping frequency of H MHz for measuring the Leistungstibertragungsverstär- effect for an output frequency of ^ O ^ = 3 MHz. The power transmission gain G ^ 2 results in this case from equation (6):
t2t2
1212th
5,5,
Fig; 7 zeigt die Ergebnisse von Messungen der fceistungsübertragungsverstärkung Gijji die über dem inneriwiderstähd H- aufgezeichnet sind, wobei der Lastwiäerstand R^ als Parameter verwendet wurde. w"ie aus Fig. 7 zu entnehmen ist\ ist - ersichtlich infolge des negativen Widerstandes - die Verstärkung umso größer, je Meiner der Innenwiderstand R„ ist. Die Schwingung findet bei einem bestimmten Innenwiderstandswert sfeatt. Die folgende Tabelle gibt Werte des innenwiderstandes Rg an, bei denen die Schwingung für bestimmte Werte des Lastwiderstandes R^ einsetzt:Fig; 7 shows the results of measurements of the power transmission gain Gijji plotted against the internal resistance H- using the load resistance R ^ as a parameter. w "ie from Fig refer 7 is \ is -. be seen as a result of the negative resistance - the gain, the greater my the internal resistance R" is the vibration is sfeatt at a certain internal resistance value The following table provides values of the internal resistance Rg at.. , at which the oscillation starts for certain values of the load resistance R ^:
Lastwiderstand Ri in OhmLoad resistance Ri in ohms
Innenwiderstand,R^ in Ohm für das Einsetzengder SchwingungInternal resistance, R ^ in ohms for the onset of g of the oscillation
0 IO 200 IO 20
5,55.5
2,52.5
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Aus der obigen Tabelle und aus Oleichung (7) die Schwingungsbedingung werden die Werte von u e U/pLl und des Äquivalentwiderstandes R_ für den Verlust bestimmt mit:From the table above and from equation (7) the oscillation condition, the values of u e U / p L l and the equivalent resistance R_ for the loss are determined with:
und R- s 15 (Ohm).and R- s 15 (ohms).
Gestrichelte Kurven in Fig. 7 «eigen Ergebnisse der Berechnung der Leietungsübertragungsverstärkung Qfc2 aus den obigen Werten und unter Verwendung von Gleichung (9). Es ist ersichtlich, daß die durch die durchgehenden Kurven gezeigten gemessenen Werte gut mit den berechneten Werten übereinstimmen, und damit wird gut die Tatsache berücksichtigt, daß die vorstehend beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antennensystems in Übereinstimmung mit den im vorhergehenden angegebenen Prinzipien arbeitet.Dashed curves in Fig. 7 represent results of calculating the line transmission gain Q fc2 from the above values and using equation (9). It can be seen that the measured values shown by the solid curves agree well with the calculated values, and this takes good account of the fact that the embodiment of the antenna system according to the invention described above operates in accordance with the principles set out above.
Somit liefert bei dem erfindungsgemäßen Antennensystem die Antennenspule und die Ausgangsspule die Funktion der sich zeitlich verändernden Induktivität, und durch diese Funktion kann parametrische Verstärkung des empfangenen Signals zum Erhalten eines verstärkten Antennenausgangssignals erreicht werden.Thus, in the antenna system according to the invention, the antenna coil and the output coil provide the function of time-varying inductance, and through this function can parametric amplification of the received signal for obtaining an amplified antenna output signal.
Da eine vollständig geschlossene magnetische Schleife gebildet wird, ist der Leckfluß ebenfalls sehr klein, und die Speiseleistung und Gleichstromleistung ist verringert.Since a completely closed magnetic loop is formed, the leakage flux is also very small, and the Feed power and DC power are reduced.
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Eb werden nun andere Ausführungsformen beschrieben, die Permanentmagneten für die (magnetische) Vorspannung verwenden. Eb other embodiments are now described, use the permanent magnets for the (magnetic) preload.
In den Ausführungsformen nach Fig. 8 und 9 sind Permanentmagneten in engem Kontakt mit dem Magnetkern vorgesehen, der der gleiche wie der Magnetkern 7 nach Fig. 4 ist. In den Ausführungsformen nach Fig. 10 und 11 sind Permanentmagneten in einem Abstand von dem Magnetkern 7 vorgesehen.In the embodiments of Figs. 8 and 9 are Permanent magnets provided in close contact with the magnetic core, which is the same as the magnetic core 7 of FIG. In the embodiments according to FIGS. 10 and 11, permanent magnets are used provided at a distance from the magnetic core 7.
In der Ausführungsform nach Fig. 8 sind zwei Permanentmagneten 50 in enger Berührung an gegenüberliegenden Seiten eines Teils des Kerns zwischen den Öffnungen 8 und 81 befestigt.In the embodiment of FIG. 8, two permanent magnets 50 are fixed in close contact on opposite sides of a portion of the core between openings 8 and 8 1.
Fig. 12 zeigt den Kern 7 nach Fig. 8, der mit einzelnen Spulen versehen ist.Fig. 12 shows the core 7 of FIG. 8, which with individual Coils is provided.
In der Ausführungsform nach Fig. 9 sind Permanentmagneten in engem Kontakt an gegenüberliegenden Seiten von Abschnitten des Kerns sowohl auf der oberen und der unteren Seite jeder Öffnung 8 und 8' befestigt. Die Spulen sind in gleicher Weise wie bei der Ausführungsform nach Fig. 12 gewickelt, Insbesondere ist die Antennenspule 9 teilweise auf den gesamten Körper des Kerns gewickelt, und einige ihrer Windungen sind durch die Öffnungen geführt, so daß sie auf die Permanentmagneten 51 gewickelt sind. Die Pumpspule 12 ist auf einen Teil des Kerne zwischen den Öffnungen 8 und 81 gewiekelt. Die Ausgangsspule 11 ist derart gewickelt, daß all ihre Windungen durch die Öffnungen laufen und auf die Permanentmagneten ge-In the embodiment of Figure 9, permanent magnets are attached in close contact on opposite sides of portions of the core on both the upper and lower sides of each opening 8 and 8 '. The coils are wound in the same way as in the embodiment of FIG. The pump coil 12 is wound onto part of the core between the openings 8 and 8 1 . The output coil 11 is wound in such a way that all of its turns run through the openings and hit the permanent magnets.
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wickelt sind, die an Kernabschnitten auf einer Seite jeder öffnung θ und 8· befestigt sind.wraps are attached to core sections on one side of each opening θ and 8 · are attached.
Bei dem Aufbau der Ausführungsform nach Fig. 8 oder Fig· 9ι bei denen die Permanentmagneten 50 oder 51 in engem Kontakt an dem Kern 7 befestigt sind, sind die Spulen teilweise auf die Permanentmagneten gewickelt. Dies ist akzeptabel, wenn die Permanentmagneten 50 oder 51 einen ausreichend hohen Wider-In the construction of the embodiment according to FIG. 8 or Fig · 9ι in which the permanent magnets 50 or 51 in close proximity Contact attached to the core 7, the coils are partially wound on the permanent magnets. This is acceptable though the permanent magnets 50 or 51 have a sufficiently high resistance
etandewert haben, beispielsweise etwa 10 Ohm-cm, wie bei Ferritmagneten. Bei Metallmagneten mit niedrigem Widerstandswert führt das Aufwickeln der Spulen auf die Magneten jedoch zu nicht erwünschten großen Kernverlusten.a value, for example about 10 ohm-cm, as at Ferrite magnets. However, for low resistance metal magnets, winding the coils onto the magnets will result to undesirable large core losses.
Die Ausführungsform nach Fig. 10 verwendet kanalförmige Magneten 53, die an gegenüberliegenden Seiten des Kerns 7 mit ihren aus einem nichtmagnetischen Material gebildeten Schenkeln 52 in engem Kontakt mit dem Kern befestigt sind. Mit diesem Aufbau ist es möglich, das durch die Permanentmagneten 53 in dem Kern 7 gebildete Vorspannungsfeld durch Änderung der Stärke des nichtmagnetischen Materials einzustellen. In dieser Ausführungsform ist die Pumpspule 12 unmittelbar auf den Kernabschnitt zwischen den öffnungen 8 und 8* auf der Innenseite jedes Permanentmagneten 53 gewickelt. In diesem Fall können entweder Metallmagneten oder Ferritmagneten als Permanentmagneten 53 verwendet werden.The embodiment of Fig. 10 uses channel-shaped magnets 53 on opposite sides of the core 7 are attached with their legs 52 formed from a non-magnetic material in close contact with the core. With With this structure, it is possible to change the bias field formed by the permanent magnets 53 in the core 7 the strength of the non-magnetic material. In this embodiment, the pump coil 12 is immediately on wound the core portion between the openings 8 and 8 * on the inside of each permanent magnet 53. In this case For example, either metal magnets or ferrite magnets can be used as permanent magnets 53.
Die Ausführungsform nach Fig. 11 verwendet ebenfalls kanalförmige Permanentmagneten 5Ί, die an der Innenseite einerThe embodiment of Fig. 11 is also used channel-shaped permanent magnets 5Ί on the inside of a
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~15~ 2235SSa ~ 15 ~ 2235SSa
Aussparung ein nichtmagnetigches Material 55 besitzen. Diese Magneten 5k Bind auf die obere und untere Kante des Kerns 7 gesetzt. In diesem Fall ist es natürlich möglich, dae durch die Permanentmagneten 5*1 in dem Kern erzeugte Vorspannungsfeld durch Änderung der Stärke der nichtmagnetischen Materialschicht 55 zu ändern. In dieser Ausfuhrungsform sind die Spulen in gleicher Weise wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen gewickelt.Have a recess a non-magnetic material 55. These magnets 5k Bind are placed on the top and bottom edges of the core 7. In this case, it is of course possible to change the bias field generated by the permanent magnets 5 * 1 in the core by changing the thickness of the non-magnetic material layer 55. In this embodiment, the coils are wound in the same way as in the previous embodiments.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen nach Fig. 8 bis 13* in denen das Vorspannungsfeld durch die Permanentmagneten in dem Kern erzeugt wird, ist keine Vorspannungsquelle erforderlich, so daß der zugehörige Schaltungsaufbau vereinfacht werden kann. Ebenso Gesteht keine Möglichkeit zur Herbeiführung von Verschiebungen von der Resonanz infolge von Schwankungen der Vorspannungsquelle, so daß ein stetiger Betrieb gewährleistet werden kann. Ferner kann die Einstellung des durch die Permanentmagneten in dem Kern erzeugten Vorspannungsfeldes leicht durchgeführt werden»In the above-described embodiments of FIGS. 8 to 13 * in which the bias field is generated by the permanent magnets in the core, no bias source is required, so that the associated circuit structure can be simplified. Likewise, there is no possibility of causing displacements from the resonance due to fluctuations in the bias voltage source, so that steady operation can be ensured. Furthermore , the adjustment of the bias field generated by the permanent magnets in the core can easily be carried out »
Das anhand von Fig. H beschriebene Antennensystem Jcann als Antennenelement für Reihenantennen verwendet werden. Sol ehe Reihenanteainen können Vorteile gegenüber den bekannten Reihenantennen herbeiführen.The antenna system Jc described with reference to FIG. H can be used as an antenna element for series antennas. Sol before row antennas can bring about advantages over the known row antennas.
Bei den bekannten Reihenantennen werden zur Bildung der gewünschten MichfcCharakteristiken Phasenschieber und Dämpfungsglieder, die entweder zwischen das zugehörige Reihenelement lind den Sender oder zwischen das Reihenelement undIn the known series antennas, phase shifters and Attenuators either between the associated row element lind the transmitter or between the row element and
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dan Empfänger eingeschaltet sind, in geeigneter Weise einge- ' stellt, oder es wird eine Schaltung mit konzentrierten Konstanten oder mit verteilten Konstanten vorgesehen.when the receivers are switched on, switched on in a suitable manner or a lumped constant or distributed constant circuit is provided.
Solche Phasenschieber oder Dämpfungsglieder oder Schaltungen mit konzentrierten oder verteilten Konstanten werden entweder elektrisch oder mechanisch eingestellt, um die gewünschten Richtcharakteristiken der Reihenantenne zu schaffen.Such phase shifters or attenuators or circuits with lumped or distributed constants are adjusted either electrically or mechanically to achieve the desired directional characteristics of the row antenna create.
Diese Phasenschieber und Dämpfungsglieder oder Schaltungen mit konzentrierten oder verteilten Konstanten dürfen nur geringe Energieverluste durch ihre Einfügung veranlassen. Mit den gewöhnlich verwendeten Ferritphaeenschiebern und Diodenphaeenschiebern ergeben sich jedoch EnergieVerluste von 1 bis 2 dB. Ferner ist mit einem einzigen Phasenschieber der veränderliche Phasenbereich begrenzt, und wo breitere Phasenbereiche erfaßt werden sollen, ist es nötig, verschiedene Phasenschiebereinheiten in Kombination zu verwenden, was unvermeidbar von einem Ansteigen der Energieverluste begleitet ist. Daher ist die Anzahl der in Kombination eingefügten Phasenschieber durch das Ansteigen der Energieverluste begrenzt.These phase shifters and attenuators or circuits with lumped or distributed constants may only cause minor energy losses through their insertion. With the commonly used ferrite phase sliders and diode phase shifters, however, result in energy losses from 1 to 2 dB. Furthermore, with a single phase shifter, the variable phase range is limited, and where broader Phase ranges are to be detected, it is necessary to use different phase shift units in combination, which is inevitably accompanied by an increase in energy losses. Therefore, the number of phase shifters inserted in combination is limited by the increase in energy loss.
Ferner kann im Fall von eingefügten Schaltungen mit konzentrierten oder verteilten Konstanten die Amplitude und Phase des Stroms in den Antennenelementen nicht unabhängig geändert werden, so daß die Einstellung der Richtcharakteristiken nachteiligerweise auf extreme Schwierigkeiten trifft.Furthermore, in the case of inserted circuits with lumped or distributed constants, the amplitude and Phase of the current in the antenna elements can not be changed independently, so that the setting of the directional characteristics disadvantageously encounters extreme difficulties.
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Pig. 1*\ zeigt eine erfindungsgemäße Reihenantenne. Diese Reihenantenne besteht aus zwei Reihenelementen 101 und 102, die jeweils das Antennensystem nach Fig. 4 sind.Pig. 1 * \ shows a series antenna according to the invention. This row antenna consists of two row elements 101 and 102, each of which is the antenna system according to FIG.
Bei jedem dieser Elemente wird die Permeabilität des Magnetkerns 7 durch den in der Pumpspule 12 fließenden Pumpstrom i = I_cos (1V t + θ ) bei Pumpfrequenz «* geändert. Diese Änderung verursacht Änderungen der Induktivitäten der Antennenspule 9 und der Ausgangsspule 11 bei der Pumpfrequenz. In anderen Worten, die Antennenspule 9 und die Ausgangsspule wirken als Element mit veränderlicher Induktivität. Diese veränderliche Induktivität L(t) ist gegeben mit:In each of these elements, the permeability of the magnetic core 7 is changed by the pump current i = I_cos ( 1 V t + θ) flowing in the pump coil 12 at the pump frequency *. This change causes changes in the inductances of the antenna coil 9 and the output coil 11 at the pumping frequency. In other words, the antenna coil 9 and the output coil function as a variable inductance element. This variable inductance L (t) is given by:
L(t) = L0 + 2L1COS (tot + θ )L (t) = L 0 + 2L 1 COS (tot + θ)
Durch diese veränderliche Induktivität L(t) wird Leistungsübertragung zwischen dem von dem Element empfangenen Signal und dem Pumpsignal bewirkt, d. h. das empfangene Signal wird der parametrischen Verstärkung unterworfen. Somit kann ein starkes Antennenausgangssignal von der Ausgangsspule 11 erhalten werden. Wird nun angenommen, daß ein empfangener Sig- Power is transmitted through this variable inductance L (t) between the signal received by the element and the pump signal, d. H. the received signal will subjected to parametric amplification. Thus, a strong antenna output signal from the output coil 11 can be obtained. If it is now assumed that a received signal
Jc t
nalstrom I_e in dem zuvor erwähnten Element mit veränder-
licher Induktivität L(t) fließt, ist die Spannung e, die in
dem Element mit veränderlicher Induktivität erzeugt wird: Jc t
If current I_e flows in the aforementioned element with variable inductance L (t), the voltage e generated in the element with variable inductance is:
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e * e *
-j (o +to )t + θ P 8 -j (o + to) t + θ P 8
-j (o +to )t + θ -j -j(«p -^8)L1C P 8 P J· I8 (10)-j (o + to) t + θ -j -j (« p - ^ 8 ) L 1 C P 8 P J · I 8 (10)
Ferner eind die Ausgangsspannungen e^p und edown
nmung des Ausg
folgendermaßen.gegeben:Furthermore, the output voltages e ^ p and e down nmung of the output
given as follows:
bei Abstimmung des Ausgangskreises auf ip +u>_) bzw. (UX -u> ) when coordinating the output circuit to ip + u> _) or (UX -u>)
P S ρ ΒP S ρ Β
j (^n + )t + θη j (^ n +) t + θ η
eup s J«"p *"e)-V P P · I8 —.. («) e up s J «" p * " e ) -V PP · I 8 - .. («)
j (^n -0Jt + θ und «down 3 -J^p.-wa>#He '1S -· (12) j (^ n - 0 Jt + θ and «down 3 -J ^ p.- w a># H e ' 1 S - · (12)
Der Koeffizient L^, in der oben genannten veränderlichen Induktivität hängt von dem Material und dem Aufbau des Magnetkerns und der Spulenkonstruktion ab und ist proportional der Amplitude des Pumpstroms. Somit kann die Amplitude und Phase des Antennenausgangssignals durch Änderung der Amplitude und Phase des Pumpstroms gesteuert werden.The coefficient L ^, in the above variable inductance depends on the material and structure of the magnetic core and the coil construction and is proportional to the amplitude of the pumping current. Thus, the amplitude and phase of the antenna output signal can be controlled by changing the amplitude and phase of the pump current.
Ist der Ausgangskreis auf (w +4O abgestimmt, sindIf the output circle is matched to (w + 4 O, are
ρ sρ s
die Antennenausgangssignale eUD und eUD der Reihenanten nenelemente 101 bzw. 102 folgendermaßen gegeben: the antenna output signals e UD and e UD of the row antenna elements 101 and 102 are given as follows:
euP e u P
1. (13)1. (13)
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und e(2) () (2) P 8 and e (2) () (2) P 8
+ θ (2) + 4 cos + θ (2) + 4 cos
p 2p 2
iR i R
.D.D
wobei k * 2Τά/Λ und" A die Wellenlänge ist. Bei Kombinierung dieser beiden Ausgangsspannungen ist die resultierende Spannung e folgendermaßen gegeben:where k * 2Τά / Λ and "A is the wavelength. When these two output voltages are combined, the resulting voltage e is given as follows:
JiwD +ω )t
+tas) · e v Jiw D + ω) t
+ ta s ) e v
Ebenso sind die Richtcharakteristiken D (v) der Reihenantenne folgendermaßen gegeben:The directional characteristics D (v) of the row antenna are likewise given as follows:
Die Größen L1* 1^ und L^ 2^ für die AntennenelementeThe sizes L 1 * 1 ^ and L ^ 2 ^ for the antenna elements
101 bzw. 102 sind jeweils der Amplitude des parametrischen Pump-101 and 102 are each the amplitude of the parametric pump
(1) ströme in diesen Elementen 101 und 102 proportional, θ ' und θ v ' sind identisch den Phasen der parametrischen Pumpquellen der Antennenelemente 101 bzw. 102. Somit werden durch geeignete Einstellung der Amplitude und Phase der parametrischen Pumpquellen der einzelnen Antennenelemente 101 und 102 die gewUnsch-(1) The currents in these elements 101 and 102 are proportional, θ 'and θ v ' are identical to the phases of the parametric pump sources of antenna elements 101 and 102, respectively the desired
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ten Richtcharakteristiken erhalten. Ebenso sind die Richtcharakteristiken durch Änderung der Amplitude und Phase der parametriechen Pumpquelle steuerbar.th directional characteristics obtained. The directional characteristics are the same controllable by changing the amplitude and phase of the parametric pump source.
Da die obigen Antennenelemente hohe Verstärkung liefern und da eie unmittelbar mit dem Sender oder Empfänger gekoppelt sind» ist es möglich» eine Antennenreihe mit extrem hohen Wirkungsgrad zu erhalten. Eine solche höchst wirksame Antennenreihe kann natürlich in gleicher Weise unter Verwendung der Antennenelemente nach Fig. 12 und 13 kon-Btruiert sein.Because the antenna elements above provide high gain and because they are directly connected to the transmitter or receiver are coupled »is it possible» a row of antennas with obtain extremely high efficiency. Such a highly effective array of antennas can of course be constructed in the same way using the antenna elements according to FIGS be.
Wie vorstehend ausgeführt wurde, ist es mit der Erfindung möglich, eine höchst wirksame Reihenantenne zu erhalten, die ein verstärktes Antennenausgangssignal liefern kann. Ebenso kann mit der Erfindung eine Qleichvorspannung (des magnetischen Feldes) leicht erhalten werden.As stated above, with the invention it is possible to provide a highly efficient series antenna which can provide an amplified antenna output signal. A DC bias voltage can also be used with the invention (of the magnetic field) can be easily obtained.
Mit der Erfindung wird somit ein Antennensystem geschaffen, das einen Magnetkern verwendet, der mit auf ihn gewickelten Spulen versehen ist, damit zeitliche Änderungen der Permeabilität des Kerns selbst gezeigt werden. Mit den zeitlichen Änderungen der Kernpermeabilität werden die Induktivitäten der auf den Kern gewickelten Antennenspule und Ausgangsspule zur parametrischen Verstärkung des Empfangs-Bignals zum Erlangen eines verstärkten Antennenausgangssignals geändert. Ebenso wird durch Verwendung einer AnzahlWith the invention, an antenna system is thus created that uses a magnetic core that is on it wound coils is provided so that changes in the permeability of the core itself over time are shown. With the Changes in the core permeability over time are the inductances of the antenna coil wound on the core and Output coil for parametric amplification of the received signal changed to obtain an amplified antenna output signal. Likewise, by using a number
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solcher Antennensysteine eine Reihenantenne, mit gewünschten und steuerbaren Richtcharakteristiken erhalten.such antenna systems a series antenna, with desired and controllable directional characteristics.
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