Евразийский
научный
журнал
Заявка на публикацию

Срочная публикация научной статьи

+7 995 770 98 40
+7 995 202 54 42
info@journalpro.ru

Об испытании модели линейной магнитной антенны ЛМА№20М1 (часть 2)

Поделитесь статьей с друзьями:
Автор(ы): Ляско Арий Борисович
Рубрика: Технические науки
Журнал: «Евразийский Научный Журнал №12 2016»  (декабрь)
Количество просмотров статьи: 1938
Показать PDF версию Об испытании модели линейной магнитной антенны ЛМА№20М1 (часть 2)

Арий Борисович Ляско
Радиоинженер,канд. физ. - мат. наук, Ph.D.
E-mail: lyasko.ariy@mail.ru

(Продолжение п.7 предыдущей моей статьи [5]).

7. Результат исследования работы УМ№ 4 при «балансном» его выходе на нагрузку антенного контура тока «возбуждения» модели ЛМА№ 20м1 в реальных условиях при Uin = 1.85 Vrms представлен на Изо. 11, 12, 13 и 14.

maglinant_1.gif

Изо. 11.

maglinant_2.gif

Изо. 12.

maglinant_3.gif

Изо.13.

maglinant_4.gif

Изо.14.

В примечании каждого из приведенных характеристик Изо. 11, 12, 13 и 14 приведены расчёты основных параметров для данного УМ№ 4 при нагрузке на резонансный контур передающей антенны Модели ЛМА№ 20м1 при мостовой схеме подключения выходов его двух каналов: Модуля № 2а и Модуля № 2б (см. Фото. 3 в [5]).

А именно, при значении резонансного конденсатора Со= 6.144 нФ и значении резонансной частоты fo = 49.3 КГц и входном напряжении на УМ№ 4 от свип — генератора Нр3581А равном эффективному значению 1.85 В. Следуя данным Изо. 11:

а) Амплитудное значение напряжения на выходе УМ№ 4 равно 42.35 В.

б) с помощью электродинамического прибора Нр3581А (см. Фото.1.) производилось измерение эффективного значения напряжения на калиброванном сопротивлении 0.05 Ом,

 maglinant_5.jpg

Фото.1.

находящегося в Измерительной коробке, протекаемого тока в антенном резонансном

maglinant_6.jpg

Фото.2.

контуре ЛМА№ 20м1(внешний вид которой показан справа на Фото.2) для частоты несущей, совпадающей с резонансной частотой её контура тока «возбуждения» при фильтре RBW= 3 Гц, эффективного значения которого равно 153 мВ. Это означает, что эффективное значение протекаемого тока по фидеру питания антенного контура последовательного резонанса равно 3.06 А, а его амплитудное значение равно 4.3 А.

в) Зная двойное амплитудное значение напряжения на выходе СТ УМ№ 4, равное 115.9 В, можно определить значение эквивалентного активного сопротивления потерь собственно контура тока «возбуждения» [1, 2, 3, 4, 5], которое равно 13.48 Ом для модели ЛМА№ 20м1. г) Использование четырёхканального цифрового с 12 бит АКП виртуального «Осциллоскоп — Анализатора» частотного спектра электрических сигналов типа АКИП 4110/1 (внешний вид которого представлен на Фото.1 в пластиковом корпусе синего цвета в центральной его части) для получения кривых Изо. 11, 12, 13 и 14 позволяет так же определить (хотя не известно значение его RBW ) эффективного значения активного сопротивления потерь и амплитудное значение тока «возбуждения» в резонансной цепи антенны ЛМА№ 20м1 по величине измеренного значения напряжению на этом же калиброванном сопротивлении 0.05 Ом. Амплитудно значение тока 3.57 А в антенном контуре равно отношению (см. Изо.11) двойного амплитудного значения напряжения на калиброванном сопротивлении, равного 356.7 мВ и увеличенного в два раза значения этого калиброванного сопротивления. А значение активного сопротивления потерь УМ№ 4 равно отношению двойного амплитудного значения напряжения на выходе СТ, равного 115.9 В и увеличенного в два раза значения тока «возбуждения», равного 3.57 А. Таким образом, в момент резонанса сопротивление активных потерь собственно антенного контура равно 16.56 Ом.

д) Как следует из отсчёта показаний двойного амплитудного значения напряжения на выходе Согласующего трансформатора СТ, равного 115.9 В, подводимая мощность к антенне ЛМА№ 20м1 составляет, соответственно, величину 124.6 Ватт или 103.4 Ватт.

е) Постоянное напряжение питания Ео УМ№ 4 равно 48.5 В, а потребляемый им ток в момент резонанса антенной цепи составил величину, равную 4.7 А. Поэтому в данном случае УМ№ 4 потребляет от источника постоянного напряжения питания мощность, равную 228 Ватт. ж) Мощность теплового рассеяния четырьмя ИОУМ в УМ№ 4 составляет, соответственно, 103.4 Ватт, или 124.6 Ватт. Способность рассеивания тепла используемыми в УМ№ 4 радиаторами воздушного охлаждения ИОУМ без принудительной вентиляции оценивается как 3 гр./Ватт. Поэтому каждый ИОУМ может нагреться, соответственно, на 77.6 градуса, или на 93.5 градуса. Поэтому применяются для принудительного отвода тепла от корпуса каждого ИОУМ два микро вентилятора в данном УМ№ 4. Автор полагает, что будет иметь место коэффициент «способности рассеивания тепла» порядка 1 гр./Ваттз) Данные, полученные с помощью Изо.11, позволяют оценить коэффициент трансформации Ктр (для данного значения частоты и протекаемого тока) согласующего трансформатора СТ по отношению величины двойного амплитудного значения напряжение на его выходе, равного 115.9 В и напряжения на его входе, — равного 84.71 В . Таким образом, СТ — является повышающим трансформатором и Ктр = 1.36. и) Активное сопротивление нагрузки балансного выхода УМ№ 4 в момент резонанса , равное 7.3 Ом, или 9 Ом может быть определено из Изо.11 как отношение активного сопротивления потерь антенной резонансной цепи, соответственно, равного 13.48 Ом, или 16.56 Ома и квадрата коэффициента трансформации СТ Ктр. к) В силу нелинейности характеристик магнитопровода антенны ЛМА№ 20м1 от протекаемого по его обмотке тока «возбуждения» и зависимости его свойств от частоты имеется возможность при помощи кривых Изо.11 оценить эквивалентную величину индуктивности соленоида модели ЛМА№ 20м1 с учётом знания величины емкости резонансных конденсаторов, равной 6.144 нФ. Для частоты fo = 49.3 КГц эквивалентное значение индуктивности антенны ЛМА№ 0м1 равно 1.692 мГн.

л) на основе АЧХ Изо.13 и Изо. 14 следует, что ЛМА№ 20м1 обладает полосой пропускания RB частоты, равной 1.771 КГц на уровне — 3 dB. Корень квадратный отношения эквивалентного значения индуктивности 1.692 мГн и резонансной емкости 6.144 нФ антенного контура определяет величину Волнового сопротивления цепи последовательного резонанса антенного контура тока «возбуждения», равную 524.8 Ом. Добротность собственно антенного контура тока «возбуждения», равная отношению «Волнового сопротивления» и, соответственно, сопротивления потерь в нём (13.48 Ом, или 16.56 Ом), поэтому равна, соответственно, 39, или 32. м) По отношению величины резонансной частоты fo = 49.3 КГц и полосы пропускания RB = 1.771 КГц, определяется эффективное значение добротности всего контура тока «возбуждения» продольного магнитного потока, создаваемого в в теле ЛМА№ 20м1, равное 27.8. Может быть произведена оценка эффективного значения сопротивления потерь в данном контуре, равной 18.9 Ом по отношению величины «Волнового сопротивления», равного 524.8 Ом и эффективного значение добротности, равной 27.8. Данное эффективное сопротивление потерь характеризует потери, ни только в самой антенне, но и, например: в СТ, внутри и в выходной цепи ИОУМ , так же как потери в 13-и метровом фидере питания антенны ЛМА№ 20м1. Величина этих дополнительных внутренних потерь оценивается значением, соответственно, 5.42 Ом, или 2.34 Омп) По уменьшенной в два раза величине произведения добротности собственно антенного контура, равной, соответственно, 39, или 32, и двойного амплитудного значения напряжения на выходе СТ, равного 115.9 В , производим оценку амплитудного значения возникающего напряжения на конденсаторах и напряжения на обмотке соленоида тока «возбуждения» ЛМА№ 20м1, равного 2564.3 В. Изо. 12 иллюстрирует спектральную плотность в контролируемых точках УМ№ 4 в момент резонанса.

8. Исследования показали [2, 3, 4, 5], что с изменением внешней температуры среды расположения ЛМА и, в частности, модели ЛМА№ 20м1, меняются внутренние её характеристики, обуславливающие и собственную резонансную частоту, и добротность. и полосу пропускания её антенного контура тока «возбуждения», так же как изменяются её характеристики при изменении амплитудного значения питаемого её тока. С течением времени функционирования трансляции антенной ЛМА№ 20м1 внутренние параметры УМ№ 4 так же подвержены изменению, что вызывает изменение внутреннего его сопротивления, приводящее к увеличению тока, протекаемого в резонансной цепи тока антенны. Кривые Изо.15 и Изо. 16 тому доказательство этого процесса.

maglinant_7.gif

Изо. 15.

maglinant_8.gifИзо.16.

9. Как отмечено в нижней части текста Изо. 15. и Изо. 16, в лаборатории на расстоянии 10 м от места расположения передающей модели ЛМА№ 20м1 (см. Фото№ 1 в [5]) производилось измерение значения напряжённости поля с помощью портативного цифрового спектра анализатора типа АКИП −4210/3 и одновременно измерение уровня сигнала, принятого антенной МА№ 2 , как это можно видеть на Фото. 3, 4 и 5. Эффективное значение электрической составляющей электромагнитного поля, равное Е=8.209 В/м, а значение уровня зарегистрированного ферритовой приёмной антенной МА№ 2 сигнала, равного — 18.2 dBV, с помощью двухканального цифрового с 16 бит АКП виртуального

maglinant_9.jpg

Фото.3.

maglinant_10.jpg

Фото. 4.

«Осциллоскопа — Анализатора» частотного спектра электрических сигналов типа Pico ADC — 216.Собственно МА№ 2 является широкополосной приёмной антенной, предназначенной для приёма электромагнитного сигналов в частотном диапазоне от 20 КГц до частоты не менее 80 КГц. При этом была разработана её конструкция с используемым для её подключения кабелем заданного типа и длины, чтобы её собственная резонансная частота не была ниже 90 КГц. При измерении характеристик Модели ЛМА№ 20м1, приведённых на Изо. 15 и 16, был зарегистрирован сигнал с амплитудным значением напряжения, равным 0.123 В. Знание эффективного значения величины электрической составляющей электромагнитного поля, равного Е=8.209 В/м, в месте расположении антенны МА№ 2 позволило определить для частоты резонанса fo = 49.3 КГц значение её «Действующей Высоты», равное 0.015 м.

С целью возможности производства измерения электромагнитного поля вне лабораторного помещения на дистанциях «Ближней и дальней» зоны излучения моделью ЛМА№ 20м1 на частоте несущей порядка 49 КГц — 52 КГц с использованием УМ№ 4, мощность которого порядка 200 Ватт, стало целесообразным применение МА№ 2 с добавкой внешнего конденсатора с регулируемой емкостью в конце её кабеля, позволяющего искусственно переместить собственная её резонансную частоту в заданную частотную область.

maglinant_11.jpg

Фото. 5.

На Фото. 5 можно видеть сверху функционального генератора изображение двухканального цифрового с 16 бит АКП виртуального «Осциллоскопа — Анализатора» частотного спектра электрических сигналов типа Pico ADC — 216 и прикреплённый на один из его входов (канал А) смеситель на два его входа BNC типа . К верхнем входу этого смесителя подведён длиной в 1 м коаксиальный кабель от модели МА№ 2, а к нижнему его входу подсоединён «кабель — аппендикс» с металлической коробочкой на его конце, в которой параллельно подсоединены дополнительный постоянный конденсатор порядка 73 пФ и переменный роторного типа конденсатор — триммер со значением его емкости от 3 пФ до 50 пФ, чтобы обеспечить возможность установления её собственной резонансной частоты в пределах частот от 48 КГц до 52 КГц в процессе предполагаемых внешних испытаний на указанных частотах при подсоединении к измерительному прибору с входным сопротивлении не менее 0.5 МОм, например, к такому, как измеритель АКИП −4210/3 (в режиме селективного микро вольтметра, обладающего чувствительностью 0.2 мкВ), или Pico ADC — 216, или АКИП-4110/4, или Нр3581А (при работе в режиме селективного микро вольтметра с RBW = 3 Гц, обладающего чувствительностью 0.1 мкВ).

maglinant_12.gif

Изо. 17.

10. На Изо.19 и Изо.20 представлена АЧХ сигнала в контролируемых точках УМ№ 4 при подаче питания передающей антенне ЛМА№ 20м1 в момент ею трансляции электромагнитной энергии в окружающее пространство. На Изо.22 и Изо.23 представлена АЧХ сигнала принятого ферритовой антенны МА№ 2 в момент осуществлении сканирования частоты несущей в её цепи тока «возбуждения» антенны ЛМА№ 20м1 в момент ею трансляции электромагнитного излучения в частотном диапазоне от 48.1 КГц до 50.1 КГц. Из этих данных следует, что полоса пропускания RB для приёмной антенны, в силу обладания ею селективностью по частоте уже полосы пропускания RB контура тока «возбуждения» антенны ЛМА№ 20м1. На Изо.21 и Изо.17 представлен вид, соответственно, спектральной плотности принятого антенной МА№ 2 сигнала и вид спектральной плотности сигналов в контрольных точках УМ№ 4, при транслируемого антенной ЛМА№ 20м1 на частоте несущей в момент резонанса в цепи тока её питания. В момент резонанса на Изо.18 представлена форма сигнала в упомянутых точках контроля УМ№ 4.

maglinant_13.gif

Изо. 18.

maglinant_14.gif

Изо.19.

11. В нижней части текста этих Изо. во время осуществления данного теста приводятся рассчитанные данные основного режима работы УМ№ 4. Из полученных с их помощью данных в момент резонанса в антенной цепи можно прийти к заключению: а) амплитудное значение тока «возбуждения» продольного магнитного потока а ЛМА№ 20м1 составило величину в 4.9 А (на основе показаний Нр3581А, вид которого представлен на Фото.1 и Фото.7).

maglinant_15.gif

Изо. 20.

maglinant_16.gif

Изо. 21

maglinant_17.gif

Изо. 22.

maglinant_18.gif

Изо. 23.

maglinant_19.jpg

Фото.6.

maglinant_20.jpg

Фото.7.

б) амплитудное значение напряжения на вторичной обмотке согласующего трансформатора СТ (вид которого представлен слева на Фото.2), подаваемого на вход фидера питания передающей антенны ЛМА№ 20м1 длиной в 13 м, равное 56.8 В, в) Потребляемая УМ№ 4 мощность от источника постоянного напряжения составляет величину, равную 230 Ватт, тогда как подводимая к антенне ЛМА№ 20м1 мощность составляет величину порядка 140 Ватт.

г) коэффициент трансформации СТ равен 1.4,

д) полоса пропускания RB цепи питания током передающую антенну ЛМА№ 20м1 на уровне — 3dB равна 1.77 КГц при значении частоты несущей, равной 49.1 КГц.

е) Антенной МА№ 2 на дистанции 10 м был зарегистрирован уровень сигнала (см. Изо. 21), равный — 1.3 dBV. Это значит, что на выходе соединительного кабеля от приёмной пассивной антенны МА№ 2 был зарегистрирован сигнал с амплитудным значением, равным 0.861 В (см. Изо.22 и Изо.23). Измерительный прибор АКИП −4210/3 в месте установки модели МА№ 2 (см.Фото.3) дал показание эффективного значения электрической составляющей напряжённости электромагнитного поля, равного 3.421 В/м (см. Фото.6). Отношение амплитудного значения напряжения зарегистрированного сигнала 0.861 В и увеличенного в 1.41 раза эффективного значения напряжённости электрического поля 3.421 В/м даёт возможность оценить величину «Действующей Высоты» Модели приёмной Антенны МА№ 2 с подсоединенным на выходе её кабеля дополнительной емкости в виде «кабеля — аппендикса», как это можно видеть на Фото.5. Итак, «Действующая Высота» МА№ 2 в данном случае равна 0.18 м вместо полученного ранее её значения, равного 0.015 м(см. п.9). Увеличение величины «Действующей высоты» МА№ 2 облегчит проведение измерений уровня принятого сигнала с её помощью на дальних дистанциях от места расположения передающей Антенны ЛМА№ 20м1 при использовании в режиме селективного микро вольтметра прибора Нр3581А с установкой RBW = 3 Гц. С помощью его электромагнитного индикатора можно производить отсчёт уровня принятого сигнала в единицах dBV, или в микровольтах. Для достоверности регистрации спектральной плотности нужного сигнала с помощью виртуального измерителя типа Pico ADC — 216, или АКИП-4110/4, такой измеритель можно подсоединить к специальному выходу регенерируемого принятого Нр3581А входного сигнала.

11. Можно провести оценку возможного уровня приёма на пересечённой местности сигнала антенной МА№ 2 при значении её «Действующей Высоты», равном 0.18 м на частоте 49.1 КГц излученного Моделью ЛМА№ 20м1 при амплитудном значении тока «возбуждения, равном 5 А путём моделирования происходящих процессов в ЛМА, как типичного представителя Магнитного Диполя Герца, исследуя уравнения, используемые автором в его работах [2, 3, 4, 5 ] с помощью компьютерной программы [6 ].

Ниже размещена копия рабочего материала расчетов параметров виртуальной модели антенны ЛМА№ 20м1 по этим уравнениям для дистанций 10 и 1000 м с помощью данной компьютерной программы.

maglinant_21.gif

maglinant_22.gif

maglinant_23.gif

12. В результате этих расчётов а) на дистанции 10 метров теоретически амплитудное значение антенной МА№ 2 принятого сигнала равно 0.97 В, что соответствует уровню — 0.26 dBV, а эффективное теоретическое значение электрической составляющей напряжённости поля равно 3.82 В/м. Что находится с инженерной точкой зрения близко к экспериментально полученным (описанным в п.11д) их значениям, соответственно, 0.861 В и 3.421 В/м.

б) На дистанции 1000 м теоретически амплитудное значение антенной МА№ 2 принятого сигнала равно 1 мкВ, что соответствует уровню −120 dBV , а эффективное теоретическое значение электрической составляющей напряжённости равно 55.6 мкВ/м.

Концом «Ближней зоны» излучения для частоты 49.1 КГц является дистанция 972.4 м.

13. Для уверенной регистрации антенной МА№ 2 излучения модели ЛМА№ 201м на пересечённой местности автор предполагает использовать в режим CW в пределах частоты несущей от 48 КГц до 52 КГц им приобретённый усилитель мощности типа RMX 2450s, внешний, вид которого представлен на Фото. 8 и 9 в момент его использования в лабораторном помещении при очередном тесте регистрации антенной МА№ 2 сигнала, излученного передающей моделью ЛМА№ 20м1.

maglinant_24.jpg

Фото.8.

maglinant_25.jpg

Фото.9.

Можно видеть сверху корпуса данного УМ на Фото. 9 размещенный трансформатор, согласующий выходное сопротивление данного УМ с активным сопротивлением эквивалентных потерь антенного контура последовательного резонанса тока «возбуждения» передающей антенны ЛМА№ 20м1 в момент совпадения транслируемой несущей частоты с частотой собственного резонанса в данном контуре. А с боку УМ там же можно видеть упомянутую ранее пластиковую измерительную коробку для измерения напряжения на калиброванном сопротивлении 0.05 Ом и напряжения поданного на фидер питания током «возбуждения» продольного магнитного поля в теле антенны ЛМА№ 20м1.

14. Ниже приведены в лабораторных условиях изображения пробных измерений в заданных контрольных точках данного теста.

maglinant_26.gif

Изо. 24.

maglinant_27.gif

Изо. 25.

maglinant_28.gif

Изо. 26.

maglinant_29.gif

Изо. 27.

maglinant_30.gif

Изо. 28.

maglinant_31.gif

Изо. 29.

maglinant_32.gif

Изо. 30.

maglinant_33.gif

Изо. 31.

maglinant_34.gif

Изо. 32.

maglinant_35.gif

Изо. 33.

В тексте внизу этих изображений приведены соответствующие расчётные данные в интересуемых точках измерения, а именно, величины напряжения на выходе согласующего трансформатора и напряжение на калиброванном сопротивлении 0.05 Ом с целью расчёта необходимых параметров как приёмной так и передающей антенн.

Данный УМ с использованием модели ЛМА№ 20м1 и модели МА№ 2 будет в ближайшее время использован в грядущих тестах этих моделей на пересечённой местности.

Литература:

  1. А.Б. Ляско, Патент РФ № 2428774 на изобретение «Передающие Линейные Магнитные Антенны (ЛМА)», 10 Сентября 2010 г., ФИПС, Москва.
  2. А.Б. Ляско, "Сферические волны передающей линейной магнитной антенны (Часть 1),"Евразийский научный журнал" № 6, Июнь 2016 г.
  3. А.Б. Ляско, «Сферические волны передающей магнитной антенны (Часть 2), „Евразийский научный журнал“ № 7, Июль 2016 г.
  4. А.Б. Ляско, „О реальной возможности использования линейных магнитных антенн (ЛМА) для электромагнитной двусторонней трансляции дискретной инфор мации в морской среде между мобильными объектами в диапазоне КНЧ“, „Евразийский научный журнал“ № 8, Август 2016 г.
  5. А.Б. Ляско, „Об испытании модели линейной магнитной антенны ЛМА№ 20м1 (Часть 1)“, „Евразийский научный журнал“ № 11, Ноябрь 2016
  6. Программа » MathCAD MathSoft, Ink."