DE3140319A1 - Electrically screened broadband antenna for the in-phase detection of the magnetic components of an alternating electromagnetic field - Google Patents
Electrically screened broadband antenna for the in-phase detection of the magnetic components of an alternating electromagnetic fieldInfo
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Abstract
Description
BESCHREIBUNG DESCRIPTION
!Elektrisch abgeschirmte Breitbandantenne zur phasenrichtigen Erfassung der magnetischen Komponente eines elektromagnetischen Wechselfeldes" Die Erfindung beschreibt eine gegen elektrische Störfelder abgeschirmte Breitbandantenne zur phasenrichtigen Erfassung eines magnetischen Wechselfeldes, insbesondere für Feldstärkemessgeräte, Nachrichten- und Peilgeräte.! Electrically shielded broadband antenna for in-phase detection the magnetic component of an electromagnetic alternating field "The invention describes a broadband antenna shielded against electrical interference fields for the correct phase Acquisition of a magnetic alternating field, especially for field strength measuring devices, Communication and direction finding equipment.
Für die genannten Anwendungsgebiete werden Magnetfeldantennen benötigt, die in einem weiten Frequenzbereich eingesetzt werden können und die gegen elektrische Störfelder unempfindlich sind.Magnetic field antennas are required for the areas of application mentioned, which can be used in a wide frequency range and which counteract electrical Interference fields are insensitive.
Neben Ferritantennen werden Rahmen- bzw. Schleifenantennen verwendet, die abgeschirmt sind und/oder erdsymmetrisch betrieben werden ( Lit. /1/ bis. /7/ ). Die Schaltkapazitäten (innerhalb der Wicklung bzw. Wicklung gegen Abschirmung) ergeben-zusammen mit der inneren Induktivität der Antenne Resonanzfrequenzen.In addition to ferrite antennas, frame or loop antennas are used, which are shielded and / or operated symmetrically to ground (Lit. / 1 / to. / 7 / ). The switching capacities (within the winding or winding against shielding) together with the internal inductance of the antenna result in resonance frequencies.
Die Antennen werden daher entweder breitbandig unterhalb der ersten Resonanzfrequenz oder schmalbandig mit Abstimmung auf Resonanz betrieben. Bei konstanter magnetischer Induktion ist die Spannung an einem hochohmigen Lastwiderstand proportional zur Frequenz.The antennas are therefore either broadband below the first Resonant frequency or operated in a narrow band with tuning to resonance. At constant magnetic induction, the voltage across a high-ohm load resistor is proportional to the frequency.
Nachte-ilig bei den bisher bekannten Antennenformen ist, daß die unvermeidlichen Resonanzen sowie (bei hochohmigem Abschluß) die frequenzproportionale Ausgangsspannung den breitbandigen Einsatz erschweren. Für Schmalband-Anwendungen erfordert die dazu nötige Frequenzabstimmung der Antenne zusätzlichen Bedienungsaufwand. Die Erfassung transienter Vorgänge ist wegen der auftretenden Phasenverzerrungen problematisch.A disadvantage of the antenna shapes known up to now is that the inevitable Resonances as well as (with high-resistance termination) the frequency-proportional output voltage make broadband use more difficult. For narrowband applications this is required necessary frequency tuning of the antenna additional operating effort. The capture transient processes is problematic because of the phase distortions that occur.
Die Erfindung betrifft eine Antenne, die ein magnetisches Wechselfeld erfaßt. Sie ist gegen elektrische Felder abgeschirmt. Bei Betrieb mit einem passend gewählten Lastwiderstand ist die Ausgangsspannung über einen weiten Bereich nahezu frequenzunabhängig. Die Phasendifferenz zwischen der Ausgangsspannung und dem externen Magnetfeld bleibt innerhalb dieses Frequenzbereiches annähernd konstant.The invention relates to an antenna that generates an alternating magnetic field recorded. It is shielded from electrical fields. When operated with a suitable the selected load resistance, the output voltage is almost over a wide range frequency independent. The phase difference between the output voltage and the external one The magnetic field remains almost constant within this frequency range.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Schleifenantenne so aus Koaxialleitungsabschnitten zusammengeschaltet wird, daß sich bei Abschluß der Antenne mit einer optimal gewählten Lastimpedanz eine Amplituden- und Phasenkorrektur ergibt.The object is achieved according to the invention in that a loop antenna so interconnected from coaxial line sections that when terminated amplitude and phase correction of the antenna with an optimally selected load impedance results.
Erläuterung eines Ausführungsbeispiels: In der einfachsten Form besteht eine abgeschirmte Schleifenantenne aus einer Leiterschleife, deren Abschirmung an einer Stelle unterbrochen sein muß (Fig. 1). Der vom externen Magnetfeld auf der Außenfläche der Abschirmung induzierte Strom koppelt an der Trennstelle auf die Innenseite ein (Fig. 2).Explanation of an exemplary embodiment: In its simplest form, there is a shielded loop antenna from a conductor loop, whose shielding is on must be interrupted at one point (Fig. 1). The external magnetic field on the Current induced on the outer surface of the shield couples at the separation point to the Inside (Fig. 2).
Die Wirkung des externen Magnetfeldes läßt sich dabei als Thevenin-Ersatzschaltung eines "externen Generators" (ZT Ui) zwischen den Anschlüssen "A" und "B" darstellen. Die Spannung U. ergibt sich aus dem Induktionsgesetz. Die Außenfläche der Abschirmung besitzt außer dem Widerstandsbelag eine verteilte Induktivität und eine verteilte Kapazität gegen die Umgebung, bildet also eine Übertragungsleitung (/5/). Die Quellimpedanz (ZT) des externen Generators ist daher gegeben als Impedanz dieser Übertragungsleitung zwischen den Punkten "A" und "B". Die Leiterschleife be-steht aus zwei Koaxialleitungsabschnitten, die bei "A" und "B" die Eingangsimpedanzen ZA und ZB aufweisen (in Fig. 2 gestrichelt eingezeichnet). ZA und ZB sind von der Lastimpedanz ZL abhängig. Fig. 3 zeigt den aus Ui, ZT, ZA und ZB (Zx = Korrekturimpedanz, s.u.) gebildeten Stromkreis. Ist das Antennengebilde klein gegenüber der Wellenlänge, so ist der induzierte Strom I, der auch die Lastimpedanz durchfließt, überall gleich und gegeben durch Er weist bei vorgegebener Antennengeometrie und konstanter magnetischer Induktion eine störende Frequenzabhängigkeit auf.The effect of the external magnetic field can be represented as Thevenin equivalent circuit of an "external generator" (ZT Ui) between the connections "A" and "B". The voltage U. results from the law of induction. In addition to the resistance coating, the outer surface of the shield has a distributed inductance and a distributed capacitance with respect to the environment, i.e. it forms a transmission line (/ 5 /). The source impedance (ZT) of the external generator is therefore given as the impedance of this transmission line between points "A" and "B". The conductor loop consists of two coaxial line sections which have the input impedances ZA and ZB at "A" and "B" (shown in dashed lines in FIG. 2). ZA and ZB are dependent on the load impedance ZL. 3 shows the circuit formed from Ui, ZT, ZA and ZB (Zx = correction impedance, see below). If the antenna structure is small compared to the wavelength, the induced current I, which also flows through the load impedance, is the same everywhere and given by With a given antenna geometry and constant magnetic induction, it has a disruptive frequency dependency.
Die hier beschriebene Erfindung reduziert diese Frequenzabhängigkeit durch Einfügung weiterer Koaxialleitungsabschnitte, die als Korrekturimpedanz Zx (Fig. 2 oder 3) wirken.The invention described here reduces this frequency dependence by inserting further coaxial line sections, which are used as the correction impedance Zx (Fig. 2 or 3) act.
Fig. 4 zeigt schematisch eine runde Antenne mit vier (gleichartigen) Windungen. In Fig. 5 ist dieselbe Antenne zur Verdeutlichung der Zusammenschaltung und der Erdungsverhältnisse in gestreckter Form dargestellt. Die Innenleiter der Koaxialleitungen sind in Reihe geschaltet, die Außenleiter liegen parallel und sind bei "A" und "B" miteinander verbunden. Als Korrekturimpedanz wirken hier die 'Innenleiter der drei mittleren Koaxialleitungsabschnitte der Länge L.Fig. 4 shows schematically a round antenna with four (similar) Turns. In Fig. 5 the same antenna is to illustrate the interconnection and the earthing conditions shown in stretched form. The inner conductors of the Coaxial lines are connected in series, the outer conductors are and are in parallel connected to each other at "A" and "B". The inner conductors act here as the correction impedance of the three middle coaxial line sections of length L.
Bei verringerten Anforderungen an die elektrische Abschirmung, wenn auf die erdsymmetrische Betriebsweise verzichtet werden kann, läßt sich eine unsymmetrische, vereinfachte Antenne aufbauen, indem man die Schaltung nach Fig. 5 bei "X" teilt und nur eine Hälfte verwendet. An der Trennstelle müssen Schirm und Innenleiter mit dem Massepunkt verbunden werden ( Fig. 6).With reduced requirements for electrical shielding, if the symmetrical mode of operation can be dispensed with, an asymmetrical, build a simplified antenna by dividing the circuit of FIG. 5 at "X" and only used one half. The shield and inner conductor must be at the point of separation be connected to the ground point (Fig. 6).
Diese Trennung beeinflußt die Generatorimpedanz ZT und die induzierte Spannung U. nur wenig.This separation affects the generator impedance ZT and the induced one Voltage U. only a little.
Die durch den Aufbau aus Koaxialleitungsabschnitten mit Korrekturimpedanz erzielbare Verbesserung des Frequenz- und Phasengangs wurde mit dem Versuchsaufbau in Fig. 7 (nach /8/) gemessen.The result of the construction of coaxial line sections with correction impedance Achievable improvement in the frequency and phase response was achieved with the experimental setup measured in Fig. 7 (after / 8 /).
Die Fig. 8 zeigt den Frequenz- und Phasengang für eine'Schleifenantenne üblicher Bauart (runde Antenne mit 0,6 m Durchmesser, 4 Windungen innerhalb einer gemeinsamen Abschirmung, symmetrisch mit je 1 k# abgeschlossen). Man erkennt eine ausgeprägte Resonanzüberhöhung bei ca. 1,6 MHz sowie eine "Serienresonanz" bei 8 MHz. Der Phasengang zeigt im Bereich der Resonanzen abrupte Änderungen.8 shows the frequency and phase response for a loop antenna usual design (round antenna with 0.6 m diameter, 4 turns within one common shielding, symmetrically terminated with 1 k # each). One recognizes one pronounced resonance increase at approx. 1.6 MHz and a "series resonance" at 8 MHz. The phase response shows abrupt changes in the area of the resonances.
Zum Vergleich weist eine aus Koaxialleitungsabschnitten ( Kabel RG-174/U, Wellenwiderstand 50 # ) gemäß Fig. 4 aufgebaute Antenne mit gleichen Abmessungen bei 1 k# Lastimpedanz erst bei 4 MHz eine Resonanzüberhöhung auf; die Serienresonanz liegt oberhalb von 20 MHz ,( Fig. 9 ).For comparison, one of the coaxial line sections (cable RG-174 / U, Characteristic impedance 50 #) according to FIG. 4 constructed antenna with the same dimensions with 1 k # load impedance there is a resonance increase only at 4 MHz; the series resonance is above 20 MHz, (Fig. 9).
Bei Einsatz einer optimalen Lastimpedanz ZL ergibt d,iese Antennenversion eine über zwei Dekaden annähernd frequenzunabhängige Empfindlichkeit ( Fig. 10 ). Die Phasendifferenz zwischen Ausgangssignal und externem Magnetfeld ist, gering und variiert innerhalb desselben Frequenzbereiches nur wenig.Using an optimal load impedance ZL results in this antenna version a sensitivity almost independent of frequency over two decades (Fig. 10). The phase difference between the output signal and the external magnetic field is small and varies only slightly within the same frequency range.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bilden mehrere der hier beschriebenen Antennen mit unterschiedlicher räumlicher Orientierung ein Antennensystem, bei dem die Ausgangs-Spannungen der Antennen eine vektorielle Bestimmung der magnetischen Induktion gestatten. Mit einem solchen System ist z.B. die Messung des Polarisationsgrades einer elektromagnetischen Welle möglich, ohne daß es dafür einer räumlichen Ausrichtung des Antennensystems bedarf.According to a further embodiment of the invention, several form the antennas described here with different spatial orientation an antenna system, in which the output voltages of the antennas are a vectorial determination of the magnetic Allow induction. Such a system can be used, for example, to measure the degree of polarization an electromagnetic wave possible without there being any spatial alignment of the antenna system.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind: 1. Große Bandbreite ohne Frequenznachsimmung, 2. frequenzunabhängige Ausgangs spannung, 3. konstante Phasendifferenz der Ausgangsspannung gegenüber dem externen Magnetfeld, 4. sehr einfacher Aufbau der Antenne, wahlweise für erdsymmetrischen oder erdunsymmetrischen Betrieb.The advantages that can be achieved with the invention are: 1. Large bandwidth without frequency adjustment, 2. frequency-independent output voltage, 3. constant Phase difference between the output voltage and the external magnetic field, 4. very simple structure of the antenna, optionally for balanced or unbalanced Operation.
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