DE3823972A1 - Magnetic radiating element having a coil made of bifilar turns - Google Patents

Magnetic radiating element having a coil made of bifilar turns

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Abstract

In order to achieve a high efficiency of a magnetic radiating element for low-frequency oscillations, a two-wire line is used which is wound in strictly bifilar manner to give a short longitudinal coil having circular cross-section. With mutually open ends of the wires of the two-wire lead, the latter is brought to resonance with its series inductance and its series capacitance, via its own loss resistance as coupling component, as a series tuned circuit. The resonant frequency is sharply defined and can be varied using an additional capacitor. With an arrangement of similar construction, the voltage induced by the alternating magnetic field will be detected on the receiver side. The radiated alternating magnetic field is magnetically polarised orthogonally to the cross-sectional area of the radiating element. The external dimensions of the magnetic radiating element are, in contrast to hitherto known electrical and magnetic radiating elements, exceedingly small compared to the wavelength. Constructions in the vicinity have very little influence on the magnetic radiation. A geometrically defined space can be brought into the condition of homogeneous alternating magnetic fields of high intensity using the radiating element.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Serienschwingkreis als Strahler, der bei einer hohen Strombelastung mit einem großen Wirkungsgrad magnetische Wechselfelder abstrahlt, die von einem Parallelschwingkreis gleicher Bauart induktiv aufgenommen werden.The invention relates to an electromagnetic series resonant circuit as a radiator, which with a high current load with a high efficiency alternating magnetic fields radiates the same from a parallel resonant circuit Type inductively included.

Mit der Strahleranordnung sollen im Resonanzbetrieb Magnetfelder im Frequenzbereich 1 kHz bis 10 MHz radialsymmetrisch abgestrahlt werden. Die äußeren Abmessungen des Strahlers/ Aufnehmers sollen sehr klein im Vergleich zur Wellenlänge der abgestrahlten elektromagnetischen Welle sein. Das magnetische Wechselfeld soll in Entfernungen, die groß im Vergleich zum Durchmesser der Strahleranordnung sind, polarisiert sein. Die Resonanzfrequenz des abstrahlenden Schwingkreises soll durch einen oder zwei zusätzliche Kondensatoren variiert werden können. Mit Hilfe von zwei Strahlerelementen soll der geometrische Raum zwischen diesen beiden in den Zustand eines homogenen magnetischen Wechselfeldes versetzt werden. With the radiator arrangement, magnetic fields are intended in resonance mode radially symmetrical in the frequency range 1 kHz to 10 MHz be emitted. The external dimensions of the radiator / Transducers are said to be very small compared to the wavelength the emitted electromagnetic wave. The magnetic Alternating field is said to be at great distances in comparison are polarized to the diameter of the radiator arrangement be. The resonance frequency of the radiating resonant circuit supposed to be through one or two additional capacitors can be varied. With the help of two radiator elements supposed to be the geometric space between these two in the state of a homogeneous magnetic alternating field be transferred.  

Die bisher bekannten magnetischen Strahler unterliegen wesentlich der Bedingung, daß der der angestrahlten Leistung zugeordnete und durch einen Wirkwiderstand dargestellte Strahlungswiderstand R S möglichst groß im Vergleich zum Verlustwiderstand R V ist. Bei den bisher bekannten magnetischen Strahlern hat der Strahlungswiderstand durchweg Werte in der Größenordnung 0,1 Ohm bis 0,01 Ohm; daher darf bei den bisher bekannten magnetischen Strahlern der Verlustwiderstand der Anordnung höchstens Werte der Größenordnung 1 Ohm annehmen. Bei Frequenzen, die größer als 1 MHz sind, ist diese Forderung leicht zu erfüllen, weil dann die Längen der Leiter von der Größenordnung der Wellenlänge sind und der stromführende Querschnitt der Leiter hinreichend groß gehalten werden kann [1].The magnetic radiators known hitherto are essentially subject to the condition that the radiation resistance R S assigned to the radiated power and represented by an effective resistance is as large as possible in comparison to the loss resistance R V. In the magnetic radiators known hitherto, the radiation resistance has values of the order of 0.1 ohm to 0.01 ohm; Therefore, the loss resistance of the arrangement may assume at most values of the order of 1 ohm in the magnetic radiators known to date. At frequencies that are greater than 1 MHz, this requirement is easy to meet because the lengths of the conductors are of the same order of magnitude as the wavelength and the current-carrying cross section of the conductors can be kept sufficiently large [1].

Um bei den bisherigen Ausführungsformen magnetischer Antennen den Strahlungswiderstand R S und damit den WirkungsgradIn the previous embodiments of magnetic antennas, the radiation resistance R S and thus the efficiency

möglichst groß zu halten, sind ringförmige Leiter von der Länge erforderlich ( λ = Wellenlänge der abgestrahlten elektromagnetischen Welle). Dadurch werden mit kleinerer Resonanzfrequenz die erforderlichen Ringdurchmesser und damit auch die Verlustwiderstände größer und der Wirkungsgrad des Strahlers infolge ungünstiger Strombelegung des leitenden Materials des Strahlers kleiner [2] [3].To keep it as large as possible, ring-shaped conductors of length are required ( λ = wavelength of the emitted electromagnetic wave). As a result, the required ring diameter and thus also the loss resistances become larger with a lower resonance frequency and the efficiency of the radiator becomes smaller due to unfavorable current occupancy of the conductive material of the radiator [2] [3].

Es ist bekannt, daß eine Doppelleitung, die in der Art nach Abb. 1 elektrisch angeregt wird, als Serienschwingkreis eine scharfe Eigenfrequenz aufweist mit der Möglichkeit einer wesentlich größeren Strombelegung als bei den Leitern der bisher bekannten Ringantennen. Die Stromdichte der Doppelleitung ist dabei im Resonanzfall über der gesamten Länge der Doppelleitung gleich [4].It is known that a double line, which is electrically excited in the manner shown in Fig. 1, as a series resonant circuit has a sharp natural frequency with the possibility of a much larger current occupancy than with the conductors of the previously known ring antennas. In the case of resonance, the current density of the double line is the same over the entire length of the double line [4].

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Dipol in Resonanzschwingung zu verwenden, dessen Wirkungsgrad der Abstrahlung so groß ist auch bei Frequenzen zwischen 1 kHz und 100 kHz bei unvermeidlich größeren Verlustwiderständen der Leiteranordnung des Strahlers, daß eine starke Abstrahlung eines Magnetfeldes über Entfernungen, die sehr groß im Vergleich zu den äußeren Abmessungen des Strahlers sind, gewährleistet ist. Der äußere Durchmesser der Strahleranordnung ist dabei deutlich kleiner als bei den bisher bekannten Antennen für den genannten Frequenzbereich.The invention has for its object an electromagnetic To use dipole in resonance vibration whose radiation efficiency is so great at Frequencies between 1 kHz and 100 kHz inevitable larger loss resistances of the conductor arrangement of the Emitter that emits a strong magnetic field over distances that are very large compared to the outer Dimensions of the radiator are guaranteed. The outer diameter of the radiator arrangement is included significantly smaller than the previously known antennas for the specified frequency range.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine streng bifilare Zweidrahtleitung, bei der die zwei voneinander isolierten Leiter überall parallel zueinander geführt und zwecks Vergrößerung der Induktivität L zu einer gedrungenen Längsspule aufgewickelt werden, als Serienschwingkreis von einem äußeren Oszillator zu elektromagnetischer Eigenschwingung gezwungen wird. Die Kopplung des magnetischen Strahlers mit dem äußeren Oszillator erfolgt galvanisch über den reellen Verlustwiderstand des Strahlers, indem nach Abb. 1 wechselseitig je ein Leiter der Doppelleitung mit dem Oszillator verbunden wird, während das Ende des anderen Leiters jeweils offen bleibt. Der Abstand e der beiden Leiter der Doppelleitung bestimmt im wesentlichen die Kapazität C des Systems.This object is achieved in that a strictly bifilar two-wire line, in which the two conductors which are insulated from one another are guided parallel to one another everywhere and wound up to form a compact longitudinal coil in order to increase the inductance L , is forced as a series resonant circuit by an external oscillator to produce electromagnetic self-oscillation. The coupling of the magnetic radiator with the outer oscillator is carried out galvanically via the real loss resistance of the radiator by alternately connecting one conductor of the double line to the oscillator according to Fig. 1, while the end of the other conductor remains open. The distance e between the two conductors of the double line essentially determines the capacitance C of the system.

Die Resonanz des strahlenden L-C-Systems ist über der Frequenz der erzwungenen Schwingungen scharf ausgeprägt. Es treten im Resonanzfall gegenüber der Betriebsspannung sehr große Spannungsüberhöhungen zwischen den Enden 1- a und 2- b (Abb 1) auf. Diesen Spannungsüberhöhungen ist Rechnung zu tragen bei der Festlegung des Abstandes e der Leiterdrähte, damit die Spannungsfestigkeit des Systems gewährleistet ist.The resonance of the radiating L - C system is sharply defined over the frequency of the forced vibrations. In the case of resonance, there are very large voltage increases between the ends 1- a and 2- b ( Fig. 1) compared to the operating voltage. This excess voltage must be taken into account when determining the distance e of the conductor wires, so that the system's dielectric strength is guaranteed.

Die Eigenfrequenz des Systems läßt sich vergrößern durch einen Kondensator, der zusätzlich zwischen den Enden 1 und a oder/und 2 und b geschaltet wird. Dieser zusätzliche Abstimmkondensator beeinträchtigt den Wirkungsgrad des Strahlers und wird möglichst klein gehalten.The natural frequency of the system can be increased by a capacitor which is additionally connected between the ends 1 and a or / and 2 and b . This additional tuning capacitor affects the efficiency of the radiator and is kept as small as possible.

Die Stromverteilungen auf den beiden einseitig offenen Adern der Doppelleitung sind reziprok linear, so daß die Summe der Leitungsstromdichten auf den beiden Adern der Doppelleitung über der gesamten Länge der Doppelleitung gleich ist und sich nur frequenzbedingt mit der Zeit ändert. Bei Anregung des Strahlers zu seiner Eigenschwingung kompensieren sich die Blindwiderstände, und der Wirkwiderstand enthält neben dem materialbedingten Verlustwiderstand R V einen großen Strahlungswiderstand R S , der von den mechanischen Abmessungen des Strahlers (insbesondere von der Fläche A des Spulenquerschnitts) abhängt und von den Gegenständen seiner Umgebung kaum beeinflußt wird. Die Stromstärke resoniert bei der Anregung in der Eigenfrequenz des Serienschwingkreises und nimmt große Werte an.The current distributions on the two unilaterally open wires of the double line are reciprocally linear, so that the sum of the line current densities on the two wires of the double line is the same over the entire length of the double line and only changes with time due to frequency. When the radiator is excited to vibrate naturally, the reactance resistances are compensated for, and in addition to the material-related loss resistance R V , the active resistance contains a large radiation resistance R S , which depends on the mechanical dimensions of the radiator (in particular on the area A of the coil cross-section) and on the objects in it Environment is hardly affected. When excited, the current strength resonates in the natural frequency of the series resonant circuit and takes on large values.

Der Wirkungsgrad ist bei vorgegebener Resonanzfrequenz eine Funktion von der Querschnittsfläche A der Strahlerspule und der Windungszahl n < 1, η = η (A, n), die sich in den Werten von η optimieren läßt.For a given resonance frequency, the efficiency is a function of the cross-sectional area A of the radiator coil and the number of turns n <1, η = η (A, n) , which can be optimized in the values of η .

Durch Verwendung von zwei Strahlerspulen von gleicher Eigenfrequenz entsteht zwischen den beiden Spulen ein homogenes magnetisches Wechselfeld, wenn der Abstand der Spulenquerschnittsflächen gleich dem Radius der Spulenwicklung (kreisförmig) gewählt wird (Helmholtz-Anordnung).By using two emitter coils of the same Natural frequency arises between the two coils homogeneous alternating magnetic field if the distance of the Coil cross-sectional areas equal to the radius of the coil winding (circular) is selected (Helmholtz arrangement).

Der Schwingkreis auf der Empfängerseite besteht im Aufbau aus einer gleichen Doppelleitungsspule, wobei dort aber die wechselseitig offenen Enden a und b kurzgeschlossen sind und zwischen den Enden 1 und 2 (Abb. 1) die elektrische Spannung wahrgenommen wird, die von dem einfallenden magnetischen Wechselfeld induziert wird (Parallelschwingkreis mit gleicher Eigenfrequenz). The resonant circuit on the receiver side consists of the same double-line coil, but the mutually open ends a and b are short-circuited and the electrical voltage between ends 1 and 2 ( Fig. 1) is perceived, which is induced by the incident magnetic alternating field (parallel resonant circuit with the same natural frequency).

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile gegenüber bisher bekannten magnetischen Antennen bestehen insbesondere darin, daß für niederfrequente Schwingungen (insbesondere im Längstwellenbereich für Wellenlängen λ <10 km) Strahler mit großem Wirkungsgrad für die elektromagnetische Abstrahlung realisiert werden können, die in ihrem mechanischen Aufbau nur eine sehr kleine räumliche Ausdehnung haben und von den Aufbauten in ihrer Umgebung in ihrer Wirkung kaum beeinträchtigt werden.The advantages achieved with the invention compared to previously known magnetic antennas are in particular that for low-frequency vibrations (in particular in the longest wave range for wavelengths λ <10 km), radiators with high efficiency for electromagnetic radiation can be realized, which are only very mechanical in their construction have small spatial dimensions and are hardly affected by the structures in their surroundings.

Der magnetische Strahler gemäß der Erfindung ist für elektromagnetische Informationsübertragung und für Navigationszwecke im Längstwellenbereich geeignet. Es läßt sich außerdem mit dem Strahler gemäß der Erfindung ein geometrisch definierter Versuchsraum für homogene, niederfrequente magnetische Wechselfelder großer Intensität realisieren.The magnetic radiator according to the invention is for electromagnetic Transmission of information and for navigation purposes suitable in the longest wave range. It can also be with the radiator according to the invention a geometric defined test room for homogeneous, low-frequency magnetic Realize alternating fields of high intensity.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Abb. 2 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Der Spulenkörper besteht aus nichtleitendem und nichtmagnetisierbarem Material. Kreisdurchmesser D = 0,63 m. Windungszahl n = 45 bifilar mit kleinstmöglichem Abstand e. Lackierter Kupferdraht vom Durchmesser 0,4 mm. Ohmscher Widerstand einer Ader 11,5 Ohm. Senderseitig scharf ausgeprägte Resonanz bei 18,5 kHz. Spannungsüberhöhung zwischen den Enden 1- a und 2- b gegenüber der Betriebsspannung 40 : 1. Bei einer effektiven Betriebsspannung U₀ = 10 V und einer Stromstärke I₀ = 0,5 A im Falle der senderseitigen Resonanz in der Entfernung von 20 m am Empfänger zwischen den Enden 1 und 2 eine Spannung U ss = 0,1 V. Wirkungsgrad des Strahlers 60%. Strahlungsleistung 2 bis 3 Watt bei U₀ = 10 V. Stahlbetonwände innerhalb der Übertragungsstrecke beeinträchtigen die magnetische Übertragung nicht merklich.An embodiment of the invention is shown in Fig. 2 and is described in more detail below. The coil body is made of non-conductive and non-magnetizable material. Circle diameter D = 0.63 m. Number of turns n = 45 bifilar with the smallest possible distance e . Lacquered copper wire with a diameter of 0.4 mm. Ohmic resistance of one wire 11.5 Ohm. Sharp resonance at 18.5 kHz on the transmitter side. Voltage increase between the ends 1- a and 2- b compared to the operating voltage 40: 1. With an effective operating voltage U ₀ = 10 V and a current I ₀ = 0.5 A in the case of transmitter-side resonance at a distance of 20 m at the receiver between ends 1 and 2 a voltage U ss = 0.1 V. Efficiency of the radiator 60%. Radiant power 2 to 3 watts at U ₀ = 10 V. Reinforced concrete walls within the transmission path do not noticeably impair the magnetic transmission.

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Claims (9)

1. Magnetischer Strahler mit einer Spule aus bifilaren Windungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler bei galvanischer Kopplung einen in Resonanz betriebenen Serienschwingkreis darstellt, bei dem eine streng bifilare Leitung sowohl die die Eigenfrequenz des Kreises bestimmende Induktivität als auch die Kapazität bildet.1. Magnetic radiator with a coil of bifilar windings, characterized in that the radiator with galvanic coupling is a resonance-operated series resonant circuit, in which a strictly bifilar line forms both the natural frequency of the circuit and the inductance capacitance. 2. Magnetischer Strahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von einer bifilar gewickelten Spule mit mehr als einer Windung bei Resonanzfrequenzen von 1 kHz bis 100 kHz ein magnetisches Wechselfeld abgestrahlt wird in Entfernungen, die groß sind im Vergleich zum Spulendurchmesser.2. Magnetic radiator according to claim 1, characterized characterized by a bifilar wound coil with more than one turn at resonance frequencies a magnetic from 1 kHz to 100 kHz Alternating field is emitted at distances that are large are compared to the coil diameter. 3. Magnetischer Strahler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Strahlerspule kleiner als ein Tausendstel der Wellenlänge der abgestrahlten elektromagnetischen Welle ist.3. Magnetic radiator according to claims 1 and 2, characterized in that the Diameter of the emitter coil is less than a thousandth the wavelength of the emitted electromagnetic Wave is. 4. Magnetischer Strahler nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das abgestrahlte magnetische Wechselfeld orthogonal zur Querschnittsfläche der Spule magnetisch polarisiert ist.4. Magnetic radiator according to claims 1 to 3, characterized in that the radiated alternating magnetic field orthogonal to Cross-sectional area of the coil is magnetically polarized. 5. Magnetischer Strahler nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der kreisförmige Strahler radialsymmetrisch zur Achse der bifilaren Spule abstrahlt.5. Magnetic radiator according to claims 1 to 4, characterized in that the circular radiators radially symmetrical to the axis of the bifilar coil emits. 6. Magnetischer Strahler nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die streng parallel geführten Leiter der bifilaren Wicklung durch ein beliebiges Dielektrikum voneinander getrennt sind, so daß das isolierende Material die Eigenfrequenz des Strahlers mitbestimmt. 6. Magnetic radiator according to claims 1 to 5, characterized in that the strictly parallel conductors of the bifilar winding separated from each other by any dielectric are so that the insulating material is the natural frequency of the spotlight.   7. Magnetischer Strahler nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des Strahlers durch einen oder zwei feste oder stufenlos regelbare Kondensatoren, die auf je einer Seite der bifilaren Leitung zwischen die Enden der beiden Leiter geschaltet werden, variiert werden kann.7. Magnetic radiator according to claims 1 to 6, characterized in that the Resonance frequency of the radiator by one or two fixed or infinitely variable capacitors, each based on one side of the bifilar line between the ends of the can be switched, can be varied. 8. Magnetischer Strahler nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich bei Verwendung von zwei Strahlern gleicher Bauart und gleicher Eigenfrequenz in Serienschaltung ein Raum mit einem homogenen magnetischen Wechselfeld realisieren läßt, der von den äußeren Abmessungen der Strahlerspulen bestimmt wird.8. Magnetic radiator according to claims 1 to 6, characterized in that when using two spotlights of the same type and the same natural frequency in series connection with a room realize a homogeneous alternating magnetic field lets of the outer dimensions of the radiator coils is determined. 9. Magnetischer Aufnehmer, dadurch gekennzeichnet, daß dieser bei Ausführung nach den Ansprüchen 1 bis 7, als Parallelschwingkreis geschaltet, induktiv resonant auf die vom Strahler abgeschalteten magnetischen Felder wirkt.9. Magnetic sensor, characterized in that this is executed after the Claims 1 to 7, connected as a parallel resonant circuit, inductively resonant to those switched off by the radiator magnetic fields.
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