收音机的磁性天线

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磁性天线是把收音机输入回路的调谐线圈绕在高频磁性材料的磁棒上作成的。这样利用磁棒高导磁率的特性,使接收信号的交变磁力线集束地通过磁棒,同时也就通过上面所绕的线圈,因此线圈中感应的电压就比线圈中没有磁棒时大得多。就天线效率来说,磁性天线和一般的环形天线差不多,但它的体积要比环形天线小得多,因此在各式收音机中广泛地被采用。

磁性天线和环形天线一样有显著的方向特性,当磁棒的轴线和电波传 播方向垂直,且与交变磁力线平行时,接收到的信号最强(图1),因此收音机使用了磁性天线以后,能有效地改善信号杂音比。在高级收音机中有意识地来增强这种特性,把天线做成可以任意转动的,根据欲收信号的方向,将天线的轴线调得和此信号传播方向垂直,这时收音机的音量最大,但干扰信号不一定和要收的信号在同一个方位上,因此进入收音机的干扰电压就相对地减弱。

图1
图1 🔍原图 (417×339)

磁性天线用的磁棒一般用锰锌铁淦氧磁体制成,它的环导磁率μ\(_{TOP}\)约为300~1000高斯/奥斯特,所谓“环导磁率”就是将此磁性材料做成一个圆环,上面绕以线圈后的电感量,与同样线圈绕在同样外形尺寸非磁性材料上所得电感量之比。例如国产Man4铁淦氧磁棒的μTOP为400。

实际磁性天线用的磁棒不是呈环形,而是做成棒形,它的截面多数呈圆形,但也有呈长方形、六角形和其他形状的。

表征磁性天线效率优劣,要看在同样发射电场E下,从磁性天线回路送往下一级的电压的大小,如果以h\(_{д}\)表示磁性天线的有效高度,Q表示磁性天线回路的品质因数,那么送往下一级的电压u为。

u=E·h\(_{д}\)·Q

其中有效高度h\(_{д}\)根据下式求出:

h\(_{д}\)=2πSp·n·μctλ·m·p(米)

式中:SP——线圈的截面积(平方米);

n——线圈的圈数;

λ——接收信号的波长(米);

μ\(_{ct}\)——决定磁性天线有效高度的磁棒轴心导磁率;

P——与线圈位置有关的参数;

m——与线圈长度有关的参数

P,m之值可根据图3,图4来决定。

磁性天线的有效高度比没有磁心的单线圈要大若干倍,因此用所谓磁棒的轴心导磁率”μ\(_{ct}\)来体现这个差异,μct主要决定于磁性材料的环导磁率μ\(_{TOP}\),以及磁棒长度l与磁棒直径d之比。图2为各种μTOP在不同\(\frac{l}{d}\)时,μ\(_{ct}\)的变化情况。磁棒的直径减小,μct会增加,但磁棒直径太小,磁通密度增加,容易使磁心饱和,增加磁棒的损耗,因此磁棒直径一般在10毫米左右,磁棒长度增加,磁力线的漏失小,μ\(_{ct}\)也将增加,但太长了,机械强度差,使用不便。一般多用100~200毫米。

图2
图2 🔍原图 (665×571)

一般磁性天线的有效高度h\(_{д}\),在长波和中波频率上约为0.7~1.5厘米;品质因数约为140~200左右。

图3
图3 🔍原图 (514×342)
图4
图4 🔍原图 (488×336)

另一方面,如要天线效率高,m、P要大,这从图3和图4的曲线来看,就要求磁棒上的线圈应该绕得集中在磁棒的中部,即x小;而且线圈的长度a要越小越好。但事实上往往在同一根磁棒上各点的损耗也是不一样的:磁棒中间导磁率大,但损耗也大,这样线圈的Q值就低;反之在磁棒两端导磁率小一些,如线圈绕在磁棒的两端,Q值可大一些。它们的关系如图5曲线所示。图中的μ\(_{э}\)称为“有效导磁率”,μэ与轴心导磁率μ\(_{ct}\),以及线圈在磁棒上的位置有关。另外,线圈置于中间,天线方向性就强;反之,置于两端,天线的方向性要显著地减低。根据这些特点,设计者必须既照顾到μ值,又照顾到Q值,同时还能兼顾方向性。

图5
图5 🔍原图 (456×621)
图6
图6 🔍原图 (286×506)

图6为一根长度为140毫米的磁性天线,它的线圈位置和μ\(_{э}\)·Q乘积之间的关系。

从上面可以知道,磁性天线的输出电压与导磁率及品质因数的乘积成正比,因此如要输出电压最大,应该把线圈放在磁棒导磁率和品质因数乘积最大的地方,国产Man4,140毫米的磁棒经实测大概在离中心20~30毫米处最大。把线圈放在这个位置还有一个好处是这里的导磁率的变化较大,在外差式收音机进行跟踪的时候,往往需要调整一下调谐回路的电感,这时只要左右移动一下线圈的位置,就可以达到这一目的了。

要精确计算磁性天线上线圈的圈数是十分困难的,根据下列公式可以求出圈数n的近似值,然后根据实验再加以适当的调整。

n=\(\sqrt{LT}\)0.4πS\(_{p}\)kμct

式中:L——所需的电感(微亨);

T——线圈的长度(米);

S\(_{p}\)——线圈的截面积(平方米);

μ\(_{ct}\)——磁棒的轴心导磁率(根据图2决定);

k——根据线圈位置决定的参数(根据图7决定)。

图7
图7 🔍原图 (431×299)

例:线圈所需的电感力180微亨,已知采用国产Man4铁淦氧磁棒,长度为0.14米,直径的0.01米,线圈放在距中心30毫米处,线圈之长度为0.022米。

查得μ\(_{TOP}\)=400

当\(\frac{l}{d}\)=14时 μ\(_{ct}\)=86

当\(\frac{2x}{l}\)=0.43时 k=0.155

代入公式(3)

n=\(\sqrt{18}\)0×0.0220.4π·π(0.005)\(^{2}\)·0.155×86≈56

公式中没有考虑进去线圈直径与磁棒直径,以及线圈长度与磁棒长度的关系,因此准确性受一定的限制。

实验证明,在磁棒两边绕两个线圈,然后串接起来,比在一边用一个线圈输出电压可以增加2分贝左右。也有人把线圈均匀地绕在整个磁棒上(图8),这时方向性强、固有电容小,但绕好以后不容易再调整电感量,它的接收频率大致和两个线圈相近。

图8
图8 🔍原图 (558×283)

为了使线圈的Q值高,线圈最好用多股绞合纱包线,一般用15股φ0.07的。绕的时候最好采用间绕,以减少分布电容。

如果将两根磁棒并列起来,每个磁棒上绕两个线圈,并分别把它们串联起来(图9),这样的双磁性天线比单根的增益大约要提高2分贝。

在接收远地微弱信号的时候,磁性天线的灵敏度就显得不够,这时常需要外接天线把信号耦合进去,耦合方式很多,可以用电容耦合或电感耦合。电感耦合在使用磁性天线的情况下,如果把一个高阻抗耦合线圈放到磁棒上去以后,由于耦合系数过大会使次级调谐回路的选择性大大降低,失调现象特别严重,混合现象也就产生,因此如一定要采用高阻抗输入方式,就必须将耦合系数减小到必要的程度,方法可以将耦合线圈分成两部分,一小部分放在磁棒上,一大部分放在磁棒之外。一般多采用低阻抗输入,这时耦合线圈可用塑料接线在磁棒中心绕3~3圈,这时电感约1微亨,耦合系数约为50%。

图9
图9 🔍原图 (565×278)

有的收音机采用所谓“内部电容耦合”式输入电路(图10),其中C\(_{a}\)=300pf,Cc=1000pf,R=10KΩ,C\(_{k}\)=360Pf。这种电路的特点是在整个波段内电压传输系数均匀;同时对中频波道的抑制比高阻抗电感耦合优良;对不同类型的天线的适应性也很好。

装置磁性天线的时候千万要注意,不要让它靠近任何金属物,因此最好用架子架起来离开底板远一些,否则金属物中产生的高频涡流损耗会使磁性天线的Q值下降很多,另外磁性天线也应该尽可能远离电源变压器和扬声器,因为漏磁较大的电源变压器,会使磁性天线感应进交流声,扬声器后部磁钢的漏磁,也会影响磁性天线的参数,特别在磁性天线进行转动的时候,会引起失谐。(丁启鸿)