Магнитная рамочная антенна — это просто! – Поговорим о радио?

Вступление

Магнитная петлевая антенна представляет собой очень компактную антенну. Если она правильно собрана, она может использоваться как для приема, так и для передачи. Уже опубликовано много хороших теорий о магнитных рамках, поэтому я не буду об этом говорить. Информацию можно найти в книгах К. Ротхаммеля.

Принципиальная схема

Антенна представляет собой схему колебательный контур LC, где L имеет всего один большой виток. Виток действует как индуктивность, и конденсатор приводит схему в резонанс.  Основной виток индуктивно связан со вторым витком. Этот виток может быть выполнен различными способами, но всегда имеет диаметр, который в пять-десять раз меньше основного контура и соединен с приемником напрямую с 50-омным коаксиальным кабелем. КПЕ не обязательно должен быть воздушным. Можно применить хоть от китайского радиоприемника.

Горизонтальное или вертикальное расположение?

Согласно теории, вы можете ставить антенну вертикально на низком расстоянии над землей (минимум 2 метра для самой нижней части). Это приводит к несколько двунаправленному поведению и равному излучению под углами между 5 и 90 градусами. При горизонтальном монтаже антенна будет излучать всенаправленно, а угол излучения будет зависеть от высоты над землей. Короче говоря,  если вы можете смонтировать антенну на расстоянии более половины длины волны над землей, ставьте антенну горизонтально для прослушивания дальних станций, в противном случае ставьте вертикально. Диаграмма направленности примерно такая же, как у диполя.

Размер антенны

Основной виток антенны можно изготовить из чего угодно — коаксиальный кабель, металлопластиковая труба, медные трубки, толстый провод, и т.д. Диаметр рамки можно сделать примерно 1 м. — такая антенна будет работать в довольно широком диапазоне частот. Коррекцией диаметра можно менять этот самый диапазон. Петлю связи изготавливают из коаксиального кабеля. Диаметр петли связи составляет 1/10 — 1/5 от диаметра основного витка. Распайку кольца можно сделать таким образом:

И еще: петля связи и конденсатор должны располагаться в противоположных концах основного витка!

Если вы хотите точно рассчитать антенну, воспользуйтесь калькулятором, сделанным в виде EXCEL файла.

Примеры изготовления антенны:

1. Общий вид

2. Конденсатор настройки

3. Петля связи и согласования

Преимущества данной антенны:

1. Небольшой размер
2. Простота конструкции
3. Дешевизна
4. Результаты, сравнимые с диполем
5. Согласование с коаксиальным кабелем
6. Можно устанавливать низко над землей
7. Селективность

Недостатки:

1. Узкая полоса приема, а следовательно:
2. При смене частоты нужна подстройка резонанса

Посмотрите, как красиво они выглядят!

Материалы, использованные в статье:

1. http://homepage.tudelft.nl/9e08q/magneticloop/
2. http://www.cqham.ru/ant_mr.htm
3. http://cqf.su/theory07.html

Опыты с магнитными рамочными антеннами |

Опыты с магнитными рамочными антеннами

Александр Грачёв UA6AGW

Часть 1.

В прошлом году мне в руки попал 6-ти метровый отрезок коаксиального кабеля. Еготочное название: «Кабель коаксиальный 1″гибкий LCFS 114-50 JA, RFS (15239211)». Он имеет очень небольшой вес, вместо внешней оплётки сплошную гофрированную трубу из безкислородной меди диаметром около 25 мм, центральный проводник – медная трубка
диаметром около 9 мм (см. фото). Это и подвигло меня взяться за постройку рамочной антенны. Об этом я и хочу рассказать.

 Первая антенна была построена по схеме DF9IV. При диаметре около 2 м и такой же длине петли питания, выполненной из коаксиального кабеля, она очень хорошо работала на прием, но откровенно плохо на передачу, КСВ достигал 5-6.
Рабочая полоса по приему (на уровне –6 дБ) порядка 10 кГц. При этом она отлично подавляла электрические помехи, при определенной ориентации в пространстве подавление мешающей станции легко получалось более 20 дБ.

После некоторых размышлений я пришел к выводу, что причиной высокого КСВ является использование возбуждающим элементом внутреннего проводника с его относительно небольшим диаметром. Было принято решение внутренний проводник не использовать вовсе, оставив его в виде не замкнутого витка.

Настроечный конденсатор был припаян к внешнему экрану. Приемные характеристики изменились незначительно, менее выраженным стал минимум в диаграмме, стало заметно влияние окружающих предметов. Но на передачу мало что изменилось. Далее после прочтения очередной раз статьи Григорова, было решено снять внешнюю оплетку с кабеля рамки, а медь покрыть в два слоя лаком «ХВ» (более подходящего не нашлось, впрочем, он неплохо защищает медь от

окисления). И тут, наконец, появились первые положительные результаты. КСВ снизился до 1,5, было проведено около 20 местных связей. Антенна находилась на высоте 1,5 м и могла вращаться в вертикальной плоскости.

Для сравнения использовался диполь общей длиной 42,5 м, выполненный из полевого провода с симметричной линией питания из телефонной «лапши» длиной около 20 м (этакая антенна «нищего радиолюбителя»), расположенный на крыше 5-ти этажного дома на высоте около 3-х метров. Он работал на 40 и 80 метрах, запитанный через симметричное согласующее устройство – КСВ на обоих диапазонах = 1,0. К сожалению, антенны находились в разных QTH и не было
возможности провести прямое сравнение. Но опыт эксплуатации диполя в течение года позволял судить об эффективности рамки в первом приближении.

Теперь собственно о результатах: 1) КСВ около 1,5. 2) Все корреспонденты отмечали снижение (от 1 до 2-х балов) уровня моего сигнала, по сравнению с тем, с которым они меня обычно слышат на диполь.

Начавшиеся к этому времени дожди (как говорится: «через день-каждый день»), сделали невозможными дальнейшие антенные эксперименты. Главной причиной невозможности дальнейших испытаний стали постоянные пробои настроечного
конденсатора из-за возросшей влажности воздуха.

Часть 2.

Я испробовал, пожалуй, все доступные мне варианты, применял подключение только статорных пластин, соединяя два КПЕ последовательно, применял конденсаторы из коаксиального кабеля, высоковольтные конденсаторы

– все это заканчивалось одним – пробоем. Не попробовал я только вакуумные конденсаторы, остановила их непомерно высокая стоимость.

И вот здесь пришла идея использовать ёмкость по отношению к внешнему экрану незадействованного внутреннего проводника. Попытка рассчитать необходимую длину кабеля по известной погонной ёмкости кабеля, не привела к достоверным результатам, поэтому был использован метод постепенного приближения.

Очень жаль было резать такой замечательный кабель, но «охота – пуще неволи». Схема соединений на рисунке. Для питания использовалась петля из коаксиального кабеля длиной 2 м, по схеме DF9IV, сам питающий 50-омный кабель был длиной 15 м. Можно было предполагать, что общая ёмкость получится в соответствии с формулой последовательно включенных конденсаторов,но настроечный конденсатор является как бы продолжением собственной ёмкости кабеля.

Для настройки использован конденсатор типа «бабочка» от УКВ аппаратуры.

Пробои полностью прекратились, антенна сохранила все основные параметры классической магнитной рамочной антенны, но стала однодиапазонной.

Основные результаты следующие: 1) КСВ порядка 1,5 (зависит от длины и формы питающей петли). 2) Магнитная антенна заметно проигрывает диполю (описан выше) при сопоставимой высоте подвеса. Опыты проводились в диапазоне 80 м.

Часть 3.

Заняться дальнейшими опытами с магнитными антеннами меня подтолкнули статья К. Ротхаммеля во втором томе его книги, посвященная магнитным рамкам, и статья Владимира Тимофеевича Полякова о рамочно-лучевой или настоящей ЕН антенне, а для понимания процессов, происходящих в антеннах и вокруг них, оказалась очень полезной статья о ближнем поле антенн.

После прочтения статьи о рамочно-лучевой антенне у меня родилось несколько многообещающих проектов, но в настоящее время испытан только один, о нём и пойдёт речь. Схема антенны изображена на рисунке, внешний вид – на фото:

Все ниже перечисленные опыты проводились в диапазоне 40м. В первых опытах антенна была на высоте 1,5 м от земли. Испробованы различные способы подключения «дипольной» (ёмкостной) части антенны к рамке, но изображенный на рисунке мне показался оптимальным. Здесь предпринята попытка магнитную рамку, излучающую преимущественно магнитную составляющую, дооснастить элементами, излучающими в основном электрическую составляющую.

Можно на эту же антенну посмотреть иначе: катушка, включенная в середину диполя, как бы удлиняет его до необходимых размеров, и вместе с тем лучи, включенные параллельно настроечному конденсатору, обладают собственной емкостью (при указанных размерах порядка 30 — 40 пФ) и входят в общую ёмкость настроечного конденсатора.

Контур, образованный внутренним проводником и конденсатором, кроме того, что повышает уровень сигнала на приеме приблизительно вдвое, по видимому, сдвигает фазу тока собственно рамки, и обеспечивает необходимое фазовое согласование (попытка отключить его приводит к увеличению КСВ до 10 и более). Возможно, мои теоретические рассуждения не совсем верны, но как показали дальнейшие опыты, антенна в данной конфигурации работает.

Ещё при самых первых опытах был замечен интересный эффект – если при неподвижной дипольной части повернуть
рамку на 90 градусов – уровень сигнала по приему падает приблизительно на 10 — 15дБ, а на 180 градусов – прием падает едва ли не до нуля. Хотя логично было бы предположить, что при повороте на 90 градусов диаграммы направленности «дипольной» части и рамки совпадут, но видимо не всё так просто.

Был изготовлен промежуточный вариант антенны, способной поворачиваться вокруг своей оси, с целью выяснить диаграмму направленности, она оказалась такой же, как и у классической рамки. Питание антенны осуществлялось той же петлей связи, что и в первых опытах. В настоящее время антенна поднята на высоту 3-х метров, лучи идут параллельно земле.

О результатах:

1) КСВ = 1.0 на частоте 7050 кГц, 1.5 на 7000кГц, 1,1 на 7100кГц.
2) Антенна не требует перестройки по диапазону. С помощью конденсаторов П-контура трансивера возможна некоторая    подстройка антенны в случае необходимости.

3) Антенна весьма компактна.

На расстоянии до 1000 км рамка и диполь имеют приблизительно одинаковую эффективность, а на расстоянии более 1000 км рамка работает заметно лучше волнового диполя при одинаковой высоте подвеса, при этом рамка вчетверо
меньше диполя. Диаграмма направленности близка к круговой, минимумы мало заметны. Проведено около ста связей с 1;2;3;4;5;6;7;9 районами бывшего СССР.

Отмечен интересный эффект – оценка силы сигнала в большинстве случаев оставалась приблизительно одинаковой и при расстоянии до корреспондента 300 км и 3000км, на диполе такого не наблюдалось. Интересна реакция операторов,
когда я сообщал, на чем работаю – изумление, что на этом можно работать! Все опыты проведены на самодельном SDR трансивере с выходной мощность 100 Вт.

73!

 

Материал взят из журнала CQ-QRP#27

Обзор мини-антенн последнего поколения

Почему мы пришли к этому?

     Современные устои жизни в городе привели к тому, что радиолюбителям выход на кровлю для размещения своих антенн чаще всего заказан.  И хотя кровля является частью недвижимости самого радиолюбителя, получается так, что отношение с соседями важнее увлечения. Словом жизнь в квартире, порой делают установку полноразмерной антенны совершенно невозможной. Тут уже не стоит мечтать о трёхэлементной Яги на 40 метров.  А пока, суть да дело, приходиться ограничиться небольшими, невидимыми или малозаметными антеннами. Чему и посвящена эта статья. Более того, не секрет, что в последнее время индустриальные помехи от бытовых электроприборов буквально вытесняют городских радиолюбителей из диапазона 160 и 80 м.  Конструкция антенны с магнитной рамкой малых размеров, позволит не только снизить эфирные помехи, но и отстраиваться от них методом пространственной селекции.

   Среда радиолюбителей многогранна и изобретательна. Очень много классических антенн модифицировано пройдя их пытливые умы и руки. Не обошли стороной радиолюбители и магнитные антенны с периметром рамки около 0,1 λ. Переболели радиолюбители и ЕН-антенной. Закончились неуважительные выпады в адрес Т. Харта, гражданина  США, и нашего соотечественника В. Кононова. Радиолюбители до сих пор обсуждают и экспериментируют как с магнитными антеннами, так и с емкостными антеннами. Казалось бы, что об этих антеннах уже давно всё известно, но жизнь вносит свои коррективы, а сложности проникновения на кровлю всё чаще заставляют радиолюбителя задумываться о мини-антеннах. Европа уже давно сидит на строгом лимите «кровельного голода», а потому там более популярны магнитные антенны, всевозможные «Изотроны» и Бипланы», а так же всевозможные их модификации. Все они размещены на балконах и подоконниках. Прозорливые умы российских радиолюбителей тоже не остались в стороне, они коснулись этой темы сравнительно недавно, но уже имеют достаточно широкий спектр их комбинаций и усовершенствования, которым можно откровенно  позавидовать.

 Неоспоримо, что классическую популярность завоевали одновитковые магнитные антенны с вакуумным конденсатором и петлей связи. Пожалуй одним из первых после Т. Харта, германский коротковолновик DP9IV с антенной установленной на окне такой рамкой, при мощности передатчика всего 5 Вт, в диапазоне 14 МГц провел QSO с многими странами Европы, а при мощности 50 Вт — и с другими континентами.

 

Именно эта антенна стала отправной точкой для проведения экспериментов российских радиолюбителей, см. Рис.1.

     Сразу в начале этой статьи хочется определиться с типажами антенн. Несомненно, это внесёт ясность в принципе работ антенн разных типов. Лично я справедливо считаю, что все антенны нужно классифицировать по их полю излучения (приёма), а именно, магнитные рамки нужно называть антеннами Н-типа или Н-антеннами. Антенны с емкостными излучателями по типу Т. Хорта нужно называть антеннами Е-типа, или Е-антеннами. А диполь Герца и его производные совершенно справедливо называть ЕН-антенной.

 

Обзор российских новинок.

Известный коротковолновик  и конструктор антенн UA6AGW, Александр Грачёв предложил для дачного варианта рамочную антенну с лучами, см. Рис.2. Где рамка является излучателем магнитной составляющей, а лучи выполняют роль излучателя электрической составляющей радиоволны. Это решение позволило увеличить эффективность магнитной антенны, но самое главное, позволило уменьшить высоту подвеса антенны за счёт формирования ЭМВ в ближней зоне. Последний фактор, несомненно, имеет большой выигрыш при дефиците мачтовых сооружений и назойливо любопытных соседей по даче.

 

Вместе с тем, Александр Васильевич отлично раскрыл в одной из своих публикаций теорию работы своей антенны.  И после теоретических выкладок, кратко и лаконично сделал следующие выводы:

1. Рамка, находясь в зоне максимального тока проводимости, формирует магнитную составляющую электромагнитной волны.

2. Лучи, находясь в зоне максимального напряжения и тока смещения, формируют электрическую составляющую электромагнитной волны.

Прошу прощения у Александра Васильевича, за то, что вставил жирным шрифтом некоторые уточнения!  Опираясь на лучи представленной им антенны, как на электрический излучатель  он пишет, — …Такая, логически спроектированная нами антенна, уже разработана американским радиолюбителем Тедом Хартом (W5QJR), и названа им как «EH-антенна»….

    И действительно, этот тип емкостных антенн, имея очень маленькие размеры относительно длины волны, оказались весьма работоспособными для антенн-лилипуток. Исследования их свойств и разработка новых конструкций антенн у нас в России успешно ведется  Владимиром Кононовым (UA1ACO http://www.ehant.narod.ru ). UA9LBG только осмелился рассказать принцип работы емкостного излучателя с позиции классической теории. (http://news.cqham.ru/articles/detail.phtml?id=1067, http://www.qrz.ru/schemes/contribute/antenns/eh3/ ).

     Перемещая в пространстве лучи  относительно магнитной антенны, Грачёв заметил, что можно менять усиление антенны и диаграмму направленности и это неоспоримый факт, который неоспоримо подтверждает, что магнитное поле-Н перпендикулярно электрическому полю-Е радиоволны.  Вместе с тем, если всё же обратить свой взор на антенну Т. Харта, мы придём к выводу, что она не совершенна ввиду отсутствия элемента магнитного излучения типа-Н. Уточняю, что большая часть ЕН-энергии излучения здесь приходится только на емкостные излучатели. То же можно сказать и о магнитных рамках, которые не имеют элемента излучения Е-поля. В связи свыше сказанным, мы видим, что  антенна  Грачёва (UA6AGW) объединяет в себе оба эти свойства. У конструкции Грачёва общая площадь излучателей увеличена вдвое, а КПД его возрастает за счет потерь на излучение, а не на нагрев среды, как это происходит в точечных излучателях типа-Е и типа-Н.  Конечно, с тем же эффектом можно поднять эффективность антенны, если две однотипные конструкции будут работать в спарке и мы здесь имеем дело с увеличением апертуры антенны. По этому, можно с уверенностью сказать, что КПД антенны  по типу Грачёва возрастает если, она излучает:

а) сразу двумя типами Е; Н-излучателей;

б) волна уже сформирована.

Что позволило:

а) повысить КПД антенны в целом;

б) снизить влияние земли и окружающих предметов, оказывающих на антенну.

Последнее свойство, позволило автору данной антенны (UA6AGW)  разместить её на относительно низкой высоте.

 

 

На рисунке 3, наглядно показаны два классических излучателя разных полей, поля-Н и поля-Е.

 

Кроме того Александр Грачёв добился приемлемой полосы пропускания в пределах любительского диапазона магнитной антенны используя внутреннюю жилу кабеля в качестве второго колебательного контура. Ведь, как известно, расширение полосы пропускания всегда обусловлено двумя связанными контурами.

Дальше пошёл Грифко Яков Моисеевич, в своей антенне «Каракатица», где «вторичный» колебательный контур, настроенный в резонанс первым, он вывел наружу. Этим решением он повысил эффективность двух-рамочной антенны ещё больше и вместе с тем, расширил полосу пропускания согласно той же теории связанных контуров, см. Рис.4.  Используя так называемые «усы» в этой антенне, он дал возможность излучать  поля-Е и Н в фазе, уже в ближней зоне.

 

 

 

   Желание создать экспериментальную компактную комнатную антенну, которую так же смело можно называть ЕН-антенной, при плотном сотрудничестве с Александром Грачёвым (UA6AGW),Сергей Тетюхин (R3PIN)сконструировал следующий шедевр, см. Рис.5.

Именно такой, невысоко бюджетный конструктив комнатного варианта ЕН-антенны может порадовать радиолюбителя-новосёла или дачника. Схема антенны включает в себя, как магнитный излучатель L1;L2, так и емкостной в виде телескопических «усов».

 

 

Этот конструктив ЕН-антенны радует своей эстетичностью и законченностью. Почему-то есть предчувствие, что её будут выпускать где-то в Китае, и продавать в Европе, обходя все правила приличия.

   Особого внимания в этой конструкции(R3PIN)заслуживает резонансная система согласования фидера с антенной, которая ещё раз увеличивает добротность всей антенной системы и позволяет несколько поднять усиление антенны в целом. В качестве первичного контура совместно с «усами» как в конструкции Якова Моисеевича, здесь выступает оплётка кабеля полотна антенны. Длиной этих «усов» и положением их в пространстве, легко добиться резонанса и наиболее эффективной работы антенны в целом по индикатору тока в рамке. А обеспечение антенны индикаторным прибором позволяет считать этот вариант антенны вполне законченным конструктивом.

 

Подведение итогов.

    Стоит отметить, что ни один из этих радиолюбителей не сделал попытки увеличить ток  смещения не за счёт длинны емкостных излучателей, а за счёт увеличения их площади, как это сделал Тед Хард. То есть поделить мощности потерь на излучение, между Н-излучателем (магнитная рамка) и Е-излучателем (емкостной излучатель). Т.е. разгрузить среду вокруг антенны и не греть бесполезно резонансные конденсаторы. О токе смещения, как о равном в данной ситуации, незаслуженно забывают, либо просто умалчивают, а «усы» используют как простой настроечный элемент.

    И кто знает, как может повлиять на эффективность антенны, если сравнять ток проводимости в рамке с током смещения в емкостных излучателях? Это как раз тот вопрос, который ещё не исследован и потребует от конструкторов мини-антенн новых изысканий!!! Так и хочется сказать, — друзья! — Вы сделали очень робкий шаг в создании такого шедевра, как ЕН-антенна, но не заявили об этом вслух всему миру!

(Берите пример с Т. Харта).

    Где-то на страницах сайта «мир ЕН-антенн» я когда-то писал, что, — не удивлюсь, если в скором будущем ЕН-антенна Т.Харта обретёт магнитный излучатель. Сейчас я утверждаю, что это произошло и в скором будущем радиолюбители выявят в этой антенне оптимальное соотношения XL  к  XC, как к излучающим элементам.

    Используя излучатель Теда Харта, нет, сознаемся честно, — элемент антенны Николы Тесла, мы  увеличиваем ток смещения поля-Е. А доля тока, протекающего ранее бесполезно между обкладками закрытого конденсатора, теперь работает на излучение, что не в малой степени позитивно отражается на КПД антенны в целом.  Это частично получилось у Сергея Тетюхина (R3PIN). Совсем не обязательно тянуть длинный луч, здесь достаточно увеличивать площадь Е-излучателя и менять его положение в пространстве.

    Использование же лучей в антенне Грачёва с размерами почти в λ/2 как-то «давит жаба», особенно когда понимаешь, что для укороченной антенны легче сделать удлинительные катушки, чем громоздить большие рамки и паять переменные конденсаторы.

 

Проектируем комнатную ЕН-антенну для неутомимых

Обидевшись на лучи Грачёва, которые не влезут в квартиру, легко понять, что, заменив их на плоские и короткие излучатели, можно добиться почти такого же результата. Почему почти? Да потому, что апертура его антенны достаточна для сравнения её с полноразмерным диполем. И как бы мы не пыжились, все мини-антенны тратят часть своей энергии не только на излучение, но и на нагрев среды и элементов антенны. Тем не менее, задавшись целью усовершенствовать мини-антенну, можно пойти тремя путями:

— Первый из них, это оснастить емкостным излучателем резонансную (закрытую) ёмкость классической одновитковой магнитной антенны.  Частично заставить работать на излучение резонансный конденсатор. Но этот вариант повторять уже не интересно, его осуществили UA6AGW, R3PIN и другие.

— Второй вариант, это оснастить антенну Т. Харта открытым многовитковым (7МГц и ниже) магнитным излучателем.

   При реконструкции любой емкостной мини-антенны, прежде всего, стоит обратить внимание на то, что индуктивность резонансного контура в таких антеннах как «Изотрон», «Биплан», или как в антенне Т. Харта, максимальны. А ёмкости излучателей в таких антеннах минимальны, что неоспоримо повышает добротность контура антенны.

 — Третий вариант, это сделать компромисс между первым и вторым вариантами. Сделать двух-витковую рамку с резонансными конденсаторами закрытого типа и одновременно с Хардовскими Е-излучателями.

В одновитковых магнитных антеннах добротности контура добиваются за счёт уменьшения активного сопротивления излучающей индуктивности, но резонансная ёмкость имеет относительно большие номиналы. И действительно, в магнитной рамке с периметром 0,1 λ протекают очень большие токи, которые требуют максимального уменьшения активного сопротивления магнитной рамки.

В результате этих соображений напрашивается вывод, что в мини-антеннах с Е и Н излучателями в низкочастотных диапазонах (1,5 — 10МГц), мы сможем реализовать эту идею, либо с ущербным многовитковым индуктивным излучателем, либо с одновитковой рамкой и с ущербным емкостным излучателем, где доля тока смещения больше приходится на закрытые ёмкости, а не на открытые «Лучи». И как упоминалось выше, можно прийти  и к компромиссному третьему варианту.

   Перед нами встала задача, реализовать и проверить работу многовитковой рамки совместно с емкостным излучателем, тем более, что  у радиолюбителей-новосёлов  многовитковые рамки часто участвуют в режиме передачи, и даже пользуются некоторой скромной популярностью.

1.Для удобства произведём расчёт при помощи электронного калькулятора ЕН-антенн Т. Харта  http://www.ehant.qrz.ru/ehantenna_r.xls  и возьмём в разработку частоту 3,5 МГц, как наиболее трудную. Диаметр провода примем 1мм. Результаты расчётов занесём в верхнюю строку таблицы серого цвета.

2.Далее. Используя ту же программу, рассчитаем параметры открытой катушки индуктивности 98,4мкГн с приемлемым  диаметром  1,2  м для размещения на балконе или в квартире.

Примечание: Расчёты индуктивности автоматически корректируются программой с учётом межвитковой и монтажной ёмкостей.  По этому, значения индуктивности здесь кажутся вдвое меньше. Кроме того индуктивность катушек большого диметра в значительной степени зависит от её геометрической формы, квадратная она или круглая.

 

После несложных расчётов, мы проводим анализ, что с увеличением диаметра магнитной рамки, уменьшается количество витков, но длина провода незначительно увеличивается. Хочется отметить, что эта длина слегка превышает 0,25 λ. При уменьшении расстояния между витками до 20-10мм, число витков уменьшается вместе с длиной провода. Плохо это или хорошо, могут подсказать достаточно сложные расчёты противофазного направления токов в близко расположенных витках рамки и практические изыскания. С полной уверенностью можно сказать, что одновитковая рамка всегда работает лучше, чем многовитковая. Но в нашем случае многовитковый вариант с некоторым ущербом для КПД антенны позволяет использовать  тонкий провод (1-2мм), так как сопротивление излучения такой антенны имеет достаточно большое значение. И это не маловажный факт для строительства малобюджетной комнатной антенны в смысле расхода дорогостоящей меди.

Вывод: Решение, использовать в низкочастотных КВ диапазонах магнитный излучатель в многовитковом варианте с использованием емкостных излучателей, вполне приемлемо. Ещё раз хочется подсказать приверженцам классических антенн Г. Герца, что это не панацея, а всего лишь эксперименты с мини-антеннами ЕН-излучения. Здесь апертура антенны очень мала, а потому часть энергии передатчика уходит на нагрев среды и элементов антенны, а введением в конструктив мини-антенн новых элементов излучения, позволяет «выцарапывать» из них как можно больше потерь на излучение. Ни о каком сравнении с 3-х элементной Яги или полноразмерным вертикалом со 100 противовесами, которые вряд ли занимают достойное место на кровле вашего дома, речи не ведётся.

 

Магнитный излучатель.

Любой элемент антенны имеет свою добротность, и чем она выше, тем больше КПД антенны в целом. Мы понимаем, что мы имеем дело с током проводимости с учётом скин-эффекта, а потому учитываем активное сопротивление  провода катушки индуктивности. Диаметр медного провода 1мм  при его длине в 25-27 метров составит около 0,57 Ом,  провод диаметром 2мм составит уже 0,15 Ом, диаметром 3мм, — соответственно 0,07 Ом. Добротность катушки индуктивности  2-х мм провода по отношению к проводу 1мм увеличится почти в 3,8 раза, а провода диаметром 3 мм, в 8 раз! Так, что приведённые цифры  помогут радиолюбителю в принятии оптимального решения при проектировании своей домашней мини-антенны (смотрим в свой кошелёк).

Здесь следует так же учесть и тот фактор, что индуктивность катушки в форме квадрата, меньше катушки индуктивности круглой формы в 1,5 и более раз, а проводнику из мягкой меди диаметром даже 3 мм трудно будет удерживать форму круга диаметром 1 метр и более. По этому, не плохим  техническим решением  будет изготовление катушки индуктивности квадратной формы. Использование биметаллического провода диаметром 4мм с медным покрытием будет наилучшим вариантом в такой антенне. Такой провод отлично держит форму круга. Скин-эффект на низкочастотном участке КВ диапазона вполне позволяет использовать такой выгодный материал. Для такой катушки достаточно 8 точек опоры и фиксации расстояния между двумя витками  катушки индуктивности.

 

Излучатель электрического поля.

По сути это открытый конденсатор с воздушным диэлектриком и током смещения, а потому может быть рассчитан как обычный конденсатор с воздушным диэлектриком по простой формуле:

С= ЕS/d =(пФ),                где:

S – площадь поверхности одной пластины(см).

d – расстояние между пластинами (см).

E -диэлектрическая проницаемость  воздуха численно равна 1.

Для справки: Пробивное напряжение сухого воздуха имеет электрическую прочность около 30 кВ/см.

   Теперь нам легко реализовать емкость колебательного контура в пределах 9-18пФ. А сделать его регулируемым необходимо, т.к.  могут возникнуть неточности в расчётах, а так же неточности монтажа. Первоначально необходимо рассчитывать емкость так, что бы диаметр емкостных излучателей будет равняться расстоянию между пластин. Открытая ёмкость может иметь форму дисков, конусов, квадратов и просто веером расположенных жёстких медных проводников как в широкополосных УКВ антеннах.

Что касаемо паразитных емкостей от монтажа конструкции радиолюбителя, то они должны быть минимальными, а изоляционные свойства применяемых материалов не должны вызывать вопросов.

 

Конструктив ЕН-антенны:

В принципе, электрическая схема колебательного контура антенны может остаться той же, что и у антенны Теда Харта, — с непосредственной связью. Но можно сделать и катушку связи. Если антенна будет располагаться на открытом воздухе, то следует предпринять меры изоляции от влаги всех соединений и промежутка между пластинами емкостного излучателя, а рамка магнитного излучателя должна иметь гальваническую связь с оплёткой кабеля. Которая в свою очередь должна заземляться воизбежании статических разрядов. В комнатном варианте это не обязательно.

Вырисовывается следующая конструкция, см. Рис.6.

 

 

    Если уж мы заикались об увеличении площади излучающих элементов, не стоит забывать о пользе вторичного контура, который поможет не только расширить полосу пропускания, но и увеличит эффективность всей антенны в целом. Совсем не обязательно заботиться о питании вторичного контура антенны, главное, чтобы они были пространственно параллельны. Расстояние между ними необходимо выбрать компромиссным, выбирая между эффективностью и полосой пропускания. Здесь  существуют такие понятия как минимальная, максимальная и критическая связь.

Настройка: Настройка так называемой ЕН-антенны, названной которой вполне справедливо, т.к. в ней присутствуют сосредоточенные элементы излучения магнитного и электрического полей, начинается с настройки резонанса. Если резонанс оказался недалеко от заданного, нужно попробовать добиться его изменением расстояния между емкостными излучателями, помня, что расстояние между ними должно быть примерно равно их диаметру. Изменение количества витков и  изменением расстояния между ними, очень сильно влияет на резонанс антенны. Согласование с фидером осуществляется подбором отвода от катушки индуктивности.  Уточнение резонанса можно производить небольшим изменением расстояния между емкостными излучателями. Не плохо, если в конструкцию домашней антенны ввести индикатор тока, как это сделано в конструкции ЕН-антенны Сергея Тетюхина (R3PIN).

     В данной статье умышленно не приводятся размеры антенны на тот или другой диапазон частот, оставляя радиолюбителю удовлетворение сознанием новаторства и самовыражения.

 

Симметрия рамки и устранение антенного эффекта в фидере: Не стоит увлекаться ферритовыми заглушками на фидере питания антенны в непосредственной близости от неё. Это касается любых мини-антенн. Лучше, если ферритовые заглушки устанавливать не ближе 1,5-2 метра от излучателя. Феррит, это чёрная дыра для излучаемой радиоволны любого точечного излучателя, где сосредоточено огромное ЕН-поле. Близкое расположение феррита, уменьшает  эффективность мини-антенны в µ/100 раз, а все попытки сделать антенну как можно эффективнее становятся напрасными. Самым разумным решением будет использование кольцевой заглушки сделанной из самого фидера питания, это 10-15 витков фидера питания антенны диаметром 20-25см на расстоянии в 0,5 -1,5 метра от магнитного излучателя. Повторить её буквально через пару метров. (Сметная стоимость феррит/ фидер примерно одинаковы).

Предложенный конструктив домашней мини-антенны может быть другим, а потому может быть выполнен  радиолюбителем по своему усмотрению с обязательной публикацией в Интернете, как говорится Бог в помощь друзья, паяльник в руки…!!! При проектировании своей антенны главное помнить, что плоскость рамки должна соответствовать плоскости излучателей Е-поля.

 

Безопасность.

Напоминаю, что при большой подводимой мощности к мини-антенне и нахождении её рядом с радиооператором, мощная электромагнитная волна отрицательно влияет на его мозг…, простите, на его детородные органы и на собственных детей. По этому, больше 10 Вт в QRP экспериментах лучше не использовать.  

 

Подводя итоги по представленным выше конструкциям, невольно напрашивается вывод, что российские радиолюбители в области освоения мини-антенн экспериментального класса, продвинулись значительно. А достигнутые результаты позволяют развиваться ещё дальше. Гонимые ЕН-антенны оказали неоценимую услугу в деле продвижения новаторских разработок даже для тех радиолюбителей, которые яростно отрицали возможность существования емкостных излучателей. (Здесь в своё время сработал Российский менталитет неприязни статьи Т. Харта больше рекламного характера, чем технического). Но ведь это классическая теория радиоволн и элементов излучения. Об этом надо всегда помнить и не отрицать то, чего не успел в своё время выучить и понять в ВУЗе!

 

73! Сушко Сергей.

(еx.UA9LBG)

---

Комментарии

Отзывы читателей — Скажите свое мнение!

Оставьте свое мнение

Отзывы читателей — Скажите свое мнение!

Магнитные рамочные анетнны | RUQRZ.COM

Кольцо — самая эффективная и распространенная конструкция рамочной антенны, так как по сравнению с прочими геометрическими фигурами оно покрывает наибольшую площадь при равных периметрах. Восьмиугольник весьма близок к кольцу по эффективности, квадрату же или ромбу свойствен меньший КПД.

Обычно подстроечный конденсатор переменной емкости размещается в верхней части вертикально установленного кольца, которое заземляется в нижней противоположной точке для защиты от грозы.

Ради удобства настроек в некоторых версиях антенны конденсатор монтируют внизу кольца и часто — в корпусе вместе с согласующим устройством.

Дистанционное управление подстроечным переменным конденсатором осуществить нетрудно, и потому в стационарных кольцевых антеннах подстроечные конденсаторы размещают в верхней части кольца. С легкостью справляются и с гальванической связью.

Одно из решений представлено на рисунке выше в виде Т-согласования с последующим симметрирующим трансформатором.

Несимметричный вариант с гамма-согласованием имеет вид:

В обоих случаях длина отрезка L, в гамма согласовании, должна составлять около 0,1 от длины окружности кольца, а расстояние y — около λ/200.

Индуктивная связь и согласование также широко распространены благодаря простоте реализации.

Чаще всего применяется вариант такого типа:

Внутри большой петли размещают малую индуктивную петлю с соотношением диаметров 5:1. Благодаря симметричной связи через симметрирующий трансформатор на кольцевом сердечнике 1:1 можно подсоединять 50-омный коаксиальный кабель.

При несимметричной связи коаксиальный кабель подключается непосредственно как на рисунке выше (б).
Электрически целесообразный способ индуктивной связи представлен на рисунке (в). Здесь показан только связующий виток из коаксиального кабеля с разрывом
его экрана посреди витка. Экран части правой половины шлейфа припаивается к основанию большого кольца, и в этом месте антенну заземляют. Слегка деформируя шлейф из коаксиального кабеля, добиваются тонкой настройки антенны на минимальный КСВ. Считается, что диаметр d должен быть тем меньше, чем выше рабочая добротность антенны.

Что еще почитать по теме:

Магнитная антенна

Всех приветствую!

Решил ,что будет интересно почитать и посмотреть.

У многих радиолюбителей остро встает вопрос об установки антенны. Многие не имеют доступа на крышу, или даже нет возможности выкинуть кусок провода из окна, например, на дерево.Что делать если вас не покидает идея выхода в эфир?

Есть вариант, это антенна «магнитная рамка».

Собственно, о ней и хочу рассказать. Все,что пишу,- только личный опыт, и если кто-то со мной не согласен, просьба не пинать, а дополнить мою статью.

Зимой, когда на улице холодно, а руки так и чешутся, что-то делать,тщательно изучил литературу на эти темы — здесь, здесь, здесь, здесь, здесь, здесь, здесь и здесь.

Изучив материал, решил попробовать построить.Видео работы в эфире на магнитную рамку не снимал, но посмотреть можно, как на подобную антенну работают, тут. Свои же впечатления опишу ниже.

Итак, все началось с конструкции «тяп-ляп» (на скорую руку).Взял алюминиевый провод диаметром 4мм, сделал что-то типа круга диаметром 60см, поставил в разрез переменную емкость, сделал из коаксиального кабеля петлю связи и подключил к трансиверу.Изменяя емкость переменного конденсатора, убедился, что антенна имеет резонанс и даже принимает что-то кроме шумов. Все это «чудо» было хаотично подвешено на окне. «Ух ты!», — обрадовался я и решил все переделать, так сказать, как надо!

Долго не раздумывал, взял кусок кабеля от сотовой компании с оплеткой диаметром 17мм,очистил от оболочки, так как оболочка вносит значительные затухания, согнул круг диаметром 40см и подключил переменную емкость (емкость должна быть без трущихся контактов типа бабочка а еще лучше – переменная емкость в стеклянной вакуумной оболочке). Решил запитать антенну петлей связи из кабеля питания (в дальнейшем перепробовал еще несколько методов питания — все работало как и прежде).

 

Для более точной настройки резонанса поставил верньер, как на фото выше.

Данная антенна была опробована, как на прием, так и на передачу! В виду того, что зазор конденсатора был 0.5мм, мощность передатчика не превышала 10 ватт.

Емкость позволяла перестраивать антенну в пределах от 10МГц до 52МГц. Полоса пропускания по КСВ=1.5 составляла 7-10 кГц.

Антенна находилась на окне 4 этажа и смотрела на юго-запад.На диапазоне 30м антенна работала но (это не серьезно), а, вот, начиная с диапазона 20м, связи на 10 ватт удавались в SSB с Украиной и ближним зарубежьем (дальше не пробовал). Проводил связи в CW с Европой на диапазоне 17м и 15м вполне уверенно. В момент моих испытаний не было прохождеиня на диапазоне 10м, поэтому попробовал работу антенны на си-би диаппазоне. Вывод — местные связи проводить вполне можно.

Убедившись, что я на верном пути, изготовил рамку бОльшего диаметра – 1 метр, а также взял вакуумный конденсатор, поэтому конструкция получилась на бОльшую мощность. Материал полотна оставил прежним.

Полотно антенны разместил на пластиковых ПВХ-трубах на клипсах (продаются в любом магазине сантехники). Трубки стыковал без каких-либо специальных инструментов: равномерно нагревал над газом и вставлял в крестовину.

Петля связи выполнена из кабеля RG-8X.

вот так получилось в целом:

Пробные замеры показали, что самая нижняя резонансная частота — 5 МГц (обусловлено емкостью конденсатора), а самой верхней резонансной частотой — 30 МГц (обусловлено собственной емкостью рамки). Антенна была установлена на окне 4 этажа.

Сравнения проводились с установленным на крыше вертикалом (штырь HY-GAIN AV-640, антенна установлена на высоте 8м от крыши).

Было замечено, что магнитная рамка имеет ярко выраженную направленность. Магнитная рамка то выигрывала, то проигрывала на прием у штыря на крыше. Причем, показатели почти на все диапазонах от 40м до 10м были похожие. На передачу ни один из корреспондентов не сообщил о выигрыше рамки: либо она проигрывала, либо мне отвечали одинаково, как на штырь, так и на рамку (переключения производились мгновенные — коммутатором). У рамки сказывалась острая диаграмма направленности: если корреспондент гремел на вертикал, а рамка была к нему боком, то и слышно было намного слабее.

Далее эксперимент проводил чисто на 5 ватт.Связи с Украиной на диапазоне 40м удавались в 90% случаев. На 20м Украина отвечала всегда (это в SSB),aCW связи с Европой тоже не редкость.

На мой взгляд, самым удачным оказался диаппазон 17м – отвечали не только корреспонденты из Европпы, но и Япония (но не всегда), хотя я слышал их хорошо.На диапазоне 15м работал мало, но отвечали (но не так охотно, как на 20м и 17м). Пробовал работать на диапазоне 12м, но попадал, когда прохождения не было, а станций было мало (но несколько европейцев ответили).На диапазоне 10м антенна тоже настраивается, но работать там не получилось, т.к. не было прохождения. Как написал выше, антенна опробована на 27МГц с местными корреспондентами.

Полосу пропускания точно не замерял, но в среднем по диапазонам ширина составила 5-12 киГц по уровню КСВ=1,5. Меня это не напрягало!!! КСВ на резонансной частоте был 1 или 1,1 (замеры проводил прибором MFJ -259B).

В продолжения этой темы есть еще антенна на которую стоит обратить внимание на это, это и это.

Думаю,что эта тема воодушевит тех, кто не имеет доступа на крышу.

73 DE RU3T!

АНТЕННЫ ДЛЯ РАДИОЛЮБИТЕЛЕЙ

АНТЕННЫ ДЛЯ РАДИОЛЮБИТЕЛЕЙ

Глава 2. Магнитные рамочные антенны.

1. Рамочная и петлевая антенны и их использование.

Рамочная антенна имеет один или несколько витков провода общей длиной не более 0,1-0,2 длины волны, на которой работает эта рамка.

Петлевая антенна состоит из одного, реже нескольких, витков провода общей длиной более 0,4 длины волны. Чаще всего используют петлевую антенну с периметром, равным длине волны — классический квадрат (если провод расположен в форме квадрата) или дельта (если провод расположен в форме греческой D ).

Рамочные антенны имеют низкий КПД, обычно не более 3%, поэтому на передачу их используют редко. В 20-30-х годах их стали применять как внутренние антенны для приемников, а также использовать в целях пеленгации. В наше время в любом малогабаритном транзисторном приемнике длинныхсредних волн есть рамочная антенна – это так называемая “ферритовая”, “магнитная” антенна, которая все же является рамочной (рис.1).

В конце 80-х — начале 90-х годов в Европе и США среди радиолюбителей стало модно работать на ВЧ-диапазонах на “магнитные рамки”. Следует отметить, что дальние связи при работе “магнитной рамки” на передачу были возможны лишь благодаря тому, что этому способствовала активность Солнца. При обычном состоянии ионосферы работать на магнитную антенну на передачу крайне сложно. Широко используют “магнитные рамки” и в качестве антишумовых антенн, о чем будет написано ниже.

Петлевую антенну ввел в радиолюбительский мир W9LZX. Это произошло в 1942 году, когда он использовал подобную антенну на вещательной миссионерской станции HCJB, расположенной в горах Эквадора. Благодаря эфиру петлевая антенна (рис.2) сразу завоевала радиолюбительский мир и с тех пор широко используется в любительской и профессиональной связи.

В нашу страну эта антенна пришла в 50-е годы, и с тех пор используется на наших станциях. В бывшем СССР, очевидно, вследствие его изоляции от внешнего мира и боязни перенимать что-то новое, не установилась терминология для обозначения рамочных и петлевых антенн. На Западе рамочную антенну с периметром рамки менее 0,1 длины волны называют “magnetic loop” (магнитная петля), рамочную антенну с периметром более 0,4 длины волны называют просто “loop” (петля).

В настоящей работе будет использован термин “магнитная рамка”, иногда, в главах, где речь идет только о магнитных рамочных антеннах, просто “рамочная антенна”, “рамка”. В главах, где будет идти речь о петлевых антеннах, будет также использоваться термин “рамочная антенна” как уже устоявшийся среди радиолюбителей.

 

2. Диаграмма направленности магнитных рамочных антенн.

Диаграмма направленности рамочных антенн имеет вид восьмерки (рис.3). Благодаря этому антенны и используют для пеленгации.

Если плоскость рамки лежит в плоскости принимаемой волны, то токи I₁ и I_2, наводимые в вертикальных сторонах рамки, имеют разные фазы вследствие их разного удаления от источника сигнала. При этом работают только вертикальные стороны рамки 1-2 и 3-4, горизонтальные стороны рамки 2-3 и 1-4 в этом случае не участвуют в приеме сигнала, имеющего вертикальную поляризацию (1). Если плоскость рамки составляет 90° с плоскостью приема волны (рис.4), то токи I₁ и I₂ равны по величине и фазам, и их сумма будет равна нулю. Все это верно только для симметричной рамки.

В реальных случаях всегда наблюдается асимметрия рамки, которая обусловлена влиянием каких-либо предметов на рамку. В результате этого ее диаграмма направленности искажается, и проявляется “антенный” эффект рамки. Это происходит из-за того, что токи, текущие в разных сторонах рамки, не будут симметричными.

Так как рамка реагирует только на магнитную составляющую поля (2), из этого положения нашли простой выход: рамку электрически экранируют (рис.5). В этом случае в зазоре экрана разность потенциалов возникает только за счет противофазных токов наведенной волной на внешней поверхности экрана. Рамка имеет одинаковую емкость относительно экрана, и в ней наведутся только противофазные токи. Для дальнейшего улучшения симметрии рамки используют ее симметричное включение к приемнику, причем в этом случае используют и трансформатор с электростатическим экраном, который значительно уменьшает “антенный” эффект рамки (рис.5б).

Очевидно, что для эффективной работы экранированной рамки необходимо, чтобы экран и рамка были выполнены как можно более качественными (скажем, экран – толстая медная труба, а рамка – толстый медный провод). В противном случае и без того малый КПД рамок будет уменьшен.

Классический вариант рамочной антенны — это антенна DF9IV (3). В его конструкции она имеет неплохие параметры. Вариант UA9KEE (4) гораздо проще и дешевле, но КПД его антенны только теоретически в 7 раз ниже, чем антенны DF9IV.

 

3. Ферритовые антенны.

Магнитные антенны, широко используемые в транзисторных приемниках ДВ-СВ и реже КВ, являются разновидностью рамочных антенн.

Их особенность – наличие сердечника с высокой магнитной проницаемостью. Это позволило уменьшить размеры рамки с ферритом по сравнению с рамкой без него примерно на величину, равную значению магнитной проницаемости ферритового сердечника. Проницаемость ферритового сердечника всегда меньше проницаемости материала, из которого он изготовлен. Это объясняется размагничивающим действием концов сердечника и, отчасти, воздействием на него магнитного поля Земли.

Из рис.6 можно определить значение проницаемости сердечника в зависимости от его длины (5). Из этого рисунка видно, что чем длиннее ферритовый сердечник, тем лучше он работает в качестве сердечника для магнитной ферритовой антенны. Феррит, используемый в антенне, должен иметь малые потери.

Использовать ферритовые магнитные антенны в качестве передающих нельзя. Во-первых, феррит не работает в сильных магнитных полях. А во-вторых, не будет согласования излучающей магнитной ферритовой рамки со средой (6).

Рамочная ферритовая антенна имеет такую же диаграмму направленности, как и простая рамочная антенна.

Очень часто выполняют настраиваемую рамочную антенну (рис.7). При этом используют или полное включение контура, или, при использовании биполярных транзисторов, частичное (рис.8). Часто используют трансформаторную связь, причем катушка трансформатора выполняется на том же ферритовом сердечнике, или рядом, или на катушке, так как при использовании ферритовых антенн в бытовой радиоаппаратуре вопрос о симметрии не стоит так остро. Часто в приемниках ферритовые антенны выполнены так, что могут вращаться в горизонтальной плоскости и, следовательно, может осуществляться пространственная селекция сигнала. В некоторых приемниках ферритовые антенны могут вращаться еще и вертикальной плоскости, что позволяет осуществить еще и угловую селекцию сигнала, что часто тоже бывает полезно.

 

4. Антишумовые антенны.

В радиолюбительской практике рамочные антенны, в основном, используются как приемные антишумовые антенны. Чувствительность современных приемных устройств обычно значительно выше уровня электромагнитного шума в месте приема. Используя рамочную антенну типа магнитной рамки можно не только значительно ослабить электрическую составляющую помех, которая обычно преобладает в шумовом спектре, но и провести селекцию сигнала по направлению. В этом случае мы имеем ослабление помех и выделение полезного сигнала. Особенно полезно использование рамок на НЧ диапазонах, где реализуемая чувствительность приемника, в основном, определяется наличием помех на этих диапазонах.

Обычно для приема используются настроенные рамки (рис.7).

В усилителях используют малошумящие полевые транзисторы. Такая рамка в зависимости от ее размеров может работать в диапазоне от 30 до 1,8 МГц.

При конструировании приемных рамочных антенн, работающих только в диапазоне 1,8-3,5 МГц часто отдают предпочтение ферритовым антеннам (рис.9). В этом случае применяют простые меры для симметрирования антенны – это симметрирующие трансформаторы и выполненная специальным образом намотка ферритовой антенны.

Следует еще раз напомнить, что рамочные антенны имеют значительное ослабление полезного сигнала по сравнению с другими, поэтому их можно использовать только с высокочувствительными приемниками.

5. Действующая высота рамочной антенны.

Действующая высота (длина) антенны показывает, какой по высоте (длине) должен быть провод, обеспечивающий на своих концах такое же напряжение, которое обеспечивает данная антенна (рис.10).

Это определение дано мною несколько упрощенно, но в то же время оно правильно отражает понятие действующей высоты, которое необходимо знать радиолюбителю.

Для рамочной антенны действующая высота рассчитывается по формуле:

hd = 2p nS/l ,

где n — число витков провода, образующих рамку, а S — площадь рамки. Действующая высота рамки с ферритовым сердечником равна

hd = m _{с ×} 2p nS/l ,

где m _с — проницаемость сердечника.

В таблице на (рис.11) показана действующая высота одновитковой рамки Æ 20 см на диапазонах 160, 80, 40, 20, 10 м. Из таблицы видно, что одновитковая рамочная антенна имеет действующую высоту меньше, чем ее радиус. Но не надо расстраиваться – за счет того, что антенна настраивается в резонанс (рис.7,8), ее эффективность возрастает.

 

6. Входное сопротивление рамочной антенны.

Входное сопротивление антенны определяется в общем случае отношением напряжения к току на ее входных клеммах и характеризует антенну как нагрузку для генератора (рис.12).

Большинство используемых радиолюбителями антенн имеет входное сопротивление в пределах 36-100 Ом. Это удобно по следующим причинам :

• сопротивление общеупотребительных коаксиальных кабелей составляет 50, 75 и 100 Ом, что дает возможность питать антенны непосредственно кабелем или с помощью несложных согласующих устройств;

• значения тока и напряжения высокой частоты относительно невелики, что дает возможность использовать недорогие коаксиальные кабеля.

Как только сопротивление антенны резко отличается от 50-100 Ом, приходится применять согласующие устройства. В случае, если сопротивление значительно выше, скажем, 300-600 Ом, используют трансформаторы и открытые линии. Но в случае, если сопротивление значительно ниже – 1-5 Ом – возникают серьезные проблемы. Использование трансформаторов затруднительно, согласующие устройства на L и C имеют при таких значениях трансформации низкий КПД ввиду рассеивания энергии на них самих. Даже если мы согласуем, к примеру, 100 Вт на 1-Омную нагрузку, в этом случае в ней должен протекать ток в 100 А (!), причем, ВЧ-ток. Понятно, что антенна должна быть изготовлена из очень качественного материала. Использовать такую низкоомную антенну на передачу сложно.

Во-первых, происходят потери на согласующем устройстве, во-вторых, потери в самой антенне. Вот почему использование магнитной рамки на передачу часто имеет лишь теоретический характер. Но приведем формулу для расчета входного сопротивления магнитной рамки (3):

R = 800 ´ ( hd / l ² ).

К примеру, расчетное входное сопротивление рамки диаметром 30 см, имеющей 10 витков при работе на длине волны 50 м будет равно 0,25 Ом. Естественно, что согласовать антенну, имеющую такое низкое входное сопротивление, чрезвычайно трудно. В случае, если рамка настроена (рис.7), ее входное сопротивление со стороны конденсатора будет велико (килоомы), и, опять же, ее согласовать будет еще труднее.

Радиолюбители обычно используют согласование с помощью магнитной петли связи, как использует DF9IV. Но и такое согласование имеет весьма низкий КПД.

 

7. “Земля” в работе рамочной антенны.

Рамочная антенна, как уже отмечалось, реагирует только на магнитную составляющую радиоволны. Земля для данного типа антенн не нужна. В общем случае, как приемная, так и передающая антенны часто расположены на незначительном (1-2 м) удалении от земли, и она практически не мешает их работе. Магнитная составляющая проникает глубже электрической, что позволяет использовать магнитные рамки там, где обычные антенны уже не работают – в бетонных зданиях, в землянках.

 

8. Связь коаксиального кабеля с передающими магнитными рамочными антеннами.

При работе таких антенн на передачу используют два вида связи – через петлю и через гамма-согласование (рис.13). Нужно обратить внимание, что как петля связи, так и гамма-согласование находятся точно напротив подстроечного конденсатора. Это необходимо для сохранения симметрии самой рамки.

Обычно диаметр петли связи равен 1/5 диаметра основной рамки. С помощью петли связи можно получить удовлетворительное согласование во всем диапазоне частот работы магнитной рамки. Провод для петли связи необходимо использовать по возможности не тоньше того, из которого сделана магнитная рамка. Второй вид согласования – гамма-согласование. Диаметр провода, используемый в гамма-согласовании примерно в 2-5 раз тоньше основной рамки. Расположен он на высоте около 0,05-0,15 диаметра основной рамки. Длина L гамма-согласования не более 0,2 длины рамки и часто составляет даже 0,1 длины рамки. Гамма-согласование требует более тщательной настройки при работе на разных диапазонах, но имеет КПД выше, чем согласование с помощью петли связи. При использовании рамки в двух-трех диапазонах можно найти оптимальное гамма-согласование для них. Можно использовать замыкающие перемычки, если доступ к раме легок. В любом случае, при использовании магнитных рамок рекомендуется использовать тюнер (7).

При использовании рамок только в качестве приемных проблемы с согласованием обычно не бывает. Для этого используют транзисторный усилитель, расположенный непосредственно около рамки (рис.7), от которого по коаксиальному кабелю отфильтрованный и усиленный ВЧ-сигнал поступает на вход приемника.

 

9. Размеры и исполнение магнитных рамочных антенн.

Для передающей рамочной антенны обычно характерны размеры, приведенные в таблице (рис.14).

При этих размерах рамка будет эффективно работать на высшем диапазоне и в трех соседних, например, 28-21-14 или 7-3, 5-1, 9. Максимальная ее эффективность будет на высшем диапазоне, на нижнем – эффективность будет снижаться. Эта таблица приведена для магнитной рамки без экрана. В случае использования рамки с электростатическим экраном следует учитывать емкость внутреннего провода на экран, что уменьшает резонансную частоту рамки. Вообще для эффективной работы рамки ее периметр должен быть не менее 0,08 длины волны, на которой эта рамка работает.

С помощью конденсатора рамку можно настроить и на еще более низкие диапазоны, но ее эффективность как передающей будет уже весьма низкой.

Однако, давайте разберемся, от чего зависят оптимальные свойства магнитных рамок. Как было показано выше, в параграфе 5, входное сопротивление магнитных рамок весьма мало. Это приводит к существенным сложностям при согласовании антенных систем, в которые магнитная рамка включена непосредственно как антенна (рис.7).

Как и всякий провод, рамочная антенна имеет свою величину индуктивности. Эту величину можно рассчитать теоретически и измерить с помощью соответствующих приборов. Включив на разомкнутых концах рамки конденсатор, получим обычный колебательный контур, который с помощью этого конденсатора можно настроить в широком диапазоне частот. На (рис.13) понятна связь кабеля через петлю связи – аналог индуктивной связи с контуром и через гамма-согласование – аналог трансформаторной связи с контуром. Понятно, что при трансформаторной связи можно согласовать рамку более тщательно.

В этом колебательном контуре, образованном рамкой и конденсатором, электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора, а магнитное – вокруг рамки. Именно магнитное поле и является в дальнейшем причиной электромагнитной волны, которую излучает антенная система. Если мы будем решать задачу для нахождения оптимальных размеров рамки и емкости конденсатора, то результатом решения и будут приведенные выше цифры — длина рамки около 0,08 длины волны и емкость конденсатора около 30-50 пФ для диапазона 30 — 2 МГц.

Если мы возьмем рамку меньшей длины, то она уже не будет излучать столь сильно, из-за малой добротности рамки Q, которая, как известно, определяется как:

Q = (L / C) / R_n,

где L — индуктивность рамки, C — емкость на конце рамки, R_n — сопротивление потерь в рамке.

Понятно, что минимальное сопротивление потерь и максимальное отношение L / C будет у одновитковой рамки. Есть еще одна чисто физическая причина эффективной работы одновитковой рамки. Для максимального излучения необходимо охватить магнитным полем как можно больший объем пространства, что выполняется только у одновитковой магнитной рамки.

Если мы используем рамку большей длины, чем 0,08 рабочей длины волны, то она уже может не настроиться в резонанс и, вследствие этого, ее согласование станет проблематичным. Если же применим еще и рамку с электростатическим экранированием, то, учитывая емкость экрана на рамку и протекающие емкостные токи между рамкой и экраном, можно ожидать снижения ее эффективности по сравнению с неэкранированной рамкой при работе ее на передачу.

Итак, для работы на передачу лучше всего использовать одновитковую рамку. При настройке рамки в резонанс по ней могут протекать ВЧ-токи в сотни ампер, в зависимости от мощности вашего передатчика и степени согласования его с рамкой. Поэтому для передающей магнитной рамочной антенны важно, чтобы она была выполнена по возможности из медной трубы как можно большего диаметра. Желательно, чтобы ее поверхность была отполирована до зеркального блеска. Конденсатор переменной емкости обязательно должен быть высококачественным и, по возможности, не имеющим трущихся контактов. В крайнем случае, можно использовать обычный спаренный конденсатор, у которого будут подключены к рамке только статорные (неподвижные) пластины (рис.15). Естественно, в этом случае необходимо использовать ручку из хорошего диэлектрика для настройки рамки. Конденсатор должен быть высокодобротным, это является важным условием эффективной работы рамки на передачу. Поэтому он должен быть или воздушным или вакуумным – с твердым диэлектриком использовать нежелательно.

Следует заметить, что иногда встречаются сообщения об использовании радиолюбителями ненастраиваемых магнитных рамочных антенн для работы на передачу (рис.16). Даже теоретически задача эффективного согласования такой рамки с передатчиком очень сложна и выходит за пределы чистого радиолюбительства, поэтому этот тип антенн здесь не рассмотрен. Не рекомендуется их использовать без надлежащей теоретической и практической подготовки, так как результат будет весьма неутешителен.

При использовании магнитных рамок в качестве приемных антенн проблема КПД так остро не стоит. Это означает, что можно использовать конденсатор с твердым диэлектриком или воздушный с трущимися контактами. Рамка может быть многовитковой, вследствие чего размеры ее могут быть уменьшены. Провод, используемый для рамки, может быть тонким, часто применяют коаксиальный кабель для выполнения магнитных приемных рамок. В этом случае внутренняя жила и есть сама рамка, а экран кабеля выполняет роль экрана рамочной антенны. Передвижением катушки по стержню можно плавно изменять индуктивность контура, что и делается для сопряжения входного контура на ферритовом стержне с гетеродинным контуром во многих промышленных малогабаритных транзисторных приемниках.

Из рис.17 видно, что наибольшую индуктивность будет иметь система, где катушка равномерно распределена по ферритовому стержню. Исходя из этого, для работы на КВ (примерно до 7-10 МГц) можно попытаться использовать ферритовый стержень даже проницаемостью 600-400. Это может выручить тех, кто не имеет возможности достать ферриты с проницаемостью 100. Провод для ферритовых антенн лучше использовать многожильный, с большим количеством жил. Общий диаметр этого провода для СВ и ДВ может быть до 0,5 мм, для КВ — до 1 мм.

При использовании магнитных ферритовых антенн (рис.17а,17б) катушку связи можно располагать на одном из ее концов, при использовании же антенны (рис.17в) катушку связи можно располагать сверху основной катушки в любом ее месте. В любом случае предпочтительно использовать усилители с симметричным входом.

 

10. Коэффициент полезного действия магнитных рамочных антенн.

Как известно, КПД передающей антенны равен:

КПД = Р_а / Р_тх,

где Р_а — полная мощность, излучаемая антенной, а Р_тх — полная мощность, подводимая к антенне от передатчика.

Очевидно, что КПД антенны никогда не будет выше 100 % и Р_а < Р_тх. Также очевидно, и что Р_тх = Р_а + Р_п, где Р_а – полная мощность, излуча-емая антенной, Р_п – мощность потерь.

И в этом случае

КПД = Р_а / (Р_а + Р_п)

На самом деле определение излучаемой антенной мощности является очень сложной задачей, требующей применения мощного математического аппарата и точных приборов. Поэтому, чтобы упростить задачу, будем считать, что вся мощность, которая подводится к оптимально, согласованной, антенне, излучается, то есть преобразование подводимого высокочастотного напряжения в электромагнитную волну антенной равно 100 %.

Потери энергии в этом случае могут быть только в кабеле при неидеальном согласовании антенны с кабелем. КПД в этом случае будет равен

КПД = Р_а / (Р_а + Р_пк),

где Р_пк — мощность потерь в кабеле. При хорошо согласованной с кабелем антенне КПД может составлять величину до 98%. Именно такие цифры были приведены для антенны DK5CZ в (9). Нужно понимать, что это значение дается фирмой-производителем в рекламных целях и далеко от реального положения дел. Проведя несложные преобразования, КПД можно определить и как:

КПД= R_а / (R_а + R_п),

где R_a – сопротивление излучения антенны, а R_п – сопротивление потерь.

В случае использования магнитных рамок, сопротивление потерь может быть относительно большой величиной. Сопротивление излучения магнитной настроенной рамки примерно равно характеристическому сопротивлению контура R_п = Ö ` L / C

Практически можно определить индуктивность и добротность рамки из соотношений:

Q = w L / R_п и Q = R_и / R_п и определить сопротивление потерь рамки и ее общую емкость. Эти величины очень важны для расчета КПД антенной системы.

Возьмем очень хороший случай, когда используется высококачественный конденсатор и высококачественная медная трубка. В этом случае сопротивление потерь этих элементов будет мало в сравнении с сопротивлением излучения рамки. Очевидно, что КПД в этом случае

КПД = R_и ´ К / (R_и + R_к + R_р)

где R_и — расчетное идеальное сопротивление излучения рамки,

R_к — сопротивление потерь в конденсаторе,

R_р — сопротивление потерь в рамке,

K — КПД согласующего устройства.

Расчетное значение КПД для этого случая равно около 45 % и не превышает КПД согласующего устройства. Однако, и это значение КПД не так уж плохо. Не следует забывать, что он выше, чем у штыря с 3 противовесами, к тому же рамочная антенна обладает направленностью, что позволяет радиолюбителю более полно использовать ее возможности.

КПД приемной антенны равен отношению мощности отдаваемой антенной в нагрузку к мощности, которую она отдавала бы в нагрузку, если бы не имела потерь. Потери же в приемной антенне велики, т.к. обычно используется тонкий провод, конденсатор с трущимися контактами, часто с твердым диэлектриком и к согласованию с нагрузкой не относятся так серьезно, как в передающих антеннах.

Можно предположить, что КПД в этом случае будет в пределах долей процента. Но за счет усиления приемника и направленных свойств эти антенны обеспечивают удовлетворительный прием.

 

11. Расположение магнитной антенны в пространстве относительно других предметов.

Как уже отмечалось выше, магнитные антенны реагируют на магнитную составляющую электромагнитной волны. Это позволяет размещать магнитные антенны даже внутри железобетонных зданий. Но конечно, лучшим вариантом их размещения будет свободное пространство. Оно позволит избежать промышленных помех и позволит полностью реализовать направленные свойства магнитных антенн.

Что касается передающих антенн, то при их размещении есть свои особенности. За счет излучения сильного магнитного поля, такие антенны дают наводку на магнитные головки магнитофонов и проигрывателей, на катушки индуктивности различных устройств. Это может создать сильные помехи для телевидения и радиоприема, причем помеха не исчезает при отсоединении антенны от этих устройств, но за счет изменения направления излучения магнитной антенны и, может быть, за счет изменения пространственного расположения самих устройств, подвергающихся наводкам, может быть существенно уменьшена.

При размещении антенны на балконе, рядом с проводящими предметами, диаграмма направленности антенны исказится, но с этими искажениями можно вполне смириться.

На крыше требуется весьма мало места для размещения магнитной передающей антенны. Рядом с ней могут быть любые предметы и любые антенны – они окажут мало влияния на ее работу, и в то же время будут мало подвержены влиянию со стороны магнитной антенны. Это одно из самых главных преимуществ магнитных антенн над всеми остальными.

Но есть случай, когда характеристики антенны могут серьезно исказиться – если магнитная антенна находится внутри дельты или другой петлевой антенны (рис.18). Характеристики же самой наружной антенны при этом не изменяются. Для компенсации влияния наружной антенны на внутреннюю, к концу коаксиального кабеля, идущего от этой внешней антенны, погружают переменный конденсатор емкостью до 400 пФ, переменную индуктивность 10-200 мкГн или переменное сопротивление 200-300 Ом (рис.18).

Возможна комбинация нагрузки из этих элементов. Обычно при этом удается добиться того, что наружная антенна не влияет на внутреннюю.

 

12. Воздействие атмосферного электричества и осадков на магнитную антенну.

Вследствие того, что рамка и питающий коаксиал заземлены, магнитная антенна не подвержена помехам со стороны статического электричества. Это позволяет использовать её в предгрозовой период . Так как магнитная антенна обычно расположена ниже других антенн, то попадание молнии в неё очень и очень маловероятно.

Вследствие избирательности по направлению и резонансных свойств магнитная антенна подвержена грозовым помехам гораздо меньше, чем любая другая антенна. Это позволяет вести работу на нее даже во время грозы, когда на другие антенны прием из-за QRM практически уже не возможен. В целом же магнитная антенна является самой безопасной из всех антенн при работе во время грозы.

Необходимо тщательно защищать излучающую поверхность рамки от воздействий осадков, которые могут “съесть” тонкий зеркальный поверхностный слой. Это можно сделать с помощью радиокраски. Необходимо принять меры по защите переменного конденсатора и по защите согласующего устройства. На конденсаторе будет высокое напряжение, а через согласующее устройство будут протекать значительные токи, поэтому недопустимо попадание влаги на них. Коронные и поверхностные разряды могут испортить конденсатор и согласующее устройство.

Вследствие своих малых размеров магнитная антенна может быть размещена даже под навесом или полностью в диэлектрическом экране для защиты ее от воздействия осадков.

 

13. Магнитные антенны с кардиоидной диаграммой направленности.

Если соответствующим образом сложить диаграмму направленности магнитной антенны, которая имеет вид восьмерки (рис.19) и диаграмму направленности штыревой антенны, которая имеет вид круга, то получим кардиоидную диаграмму направленности (рис.19). Кардиоидной она называется потому, что фигура, образованная ей носит название “кардиоида”.

Чтобы получить такую диаграмму направленности, необходимо сложить соответствующим образом по фазе и амплитуде сигналы от рамки и штыря. Так как рамочная антенна реагирует на магнитную составляющую ЭМВ, а штырь на электрическую, то сдвиг фаз ЭДС, производимых этими антеннами, будет 90 градусов. Это объясняется тем, что сдвиг фаз между магнитным и электрическим векторами ЭМВ составляет 90 градусов. Для кардиоидной диаграммы направленности необходимо, чтобы фазы ЭДС от двух антенн совпадали. Для этого обычно включают в цепь штыря высокоомный резистор или индуктивность, или то и другое (рис.20)

Если осуществить переключение штыря, то мы сможем изменить направление кардиоиды (рис.21). В некоторых случаях удобно переключать не штырь, а менять фазу ЭДС от магнитной антенны (рис.22). Такие кардиоидные антенны широко используются “лисоловами” для приема. Использование таких антенн на передачу хотя и сложно, но теоретически возможно. Для этого необходимо иметь согласованную рамку и согласованный штырь (рис.23). Штырь может быть выше диаметра рамки в 3-4 раза. При использовании устройств, согласующих малые сопротивления штыря и рамки с передатчиком, магнитные рамки получим сдвиг фаз ЭДС от штыря и рамки, который будет нам неизвестен. Вот почему фазосдвигающее устройство должно обеспечить регулировку фазы от 0 до 90 градусов.

Конечно, при создании такого устройства возникают проблемы по обеспечению как его широкополосности, так и, по возможности, его оперативной подстройки, т.к. сдвиг фаз рамки и штыря, который обеспечит их согласующие устройства, может меняться не только при смене диапазонов, но и внутри одного диапазона.

Есть еще один интересный способ получения кардиоидной диаграммы направленности. Выше было показано, за счет чего получается диаграмма направленности в виде восьмерки. Если же мы в неэкранированной рамочной антенне заэкранируем одну из ее полови-нок, то тем самым существенно ухудшим прием, идущий со стороны этой экранированной половинки (рис.24) и нарушим симметрию рамки. Такую приемную антенну можно выполнить из коаксиального кабеля со снятым экраном. При использовании ее на УКВ для повышения эффективности работы ее периметр может быть равен четверти длины волны. При использовании такой антенны в качестве передающей, необходимо ее тщательное согласование с передатчиком.

 

14. Еще о магнитных антеннах.

Магнитные антенны часто используют для приема радиовещательных станций, но их можно использовать и при приеме телевидения. Для упрощения конструкции магнитной телевизионной антенны преобразуем классическую магнитную антенну (рис.25) в упрощенную.

Такую магнитную антенну можно выполнить из коаксиального кабеля любой марки. Периметр рамки L должен быть равен примерно 0,1 длины волны нижнего телевизионного канала, но при сильном сигнале он может быть равен и 0,1 длины волны верхнего телевизионного канала.

Такая магнитная антенна проигрывает по усилению традиционным телевизионным антеннам, но за счет того, что она реагирует только на магнитную составляющую, обеспечивает гораздо лучшее качество приема в городских условиях и работает в диапазоне частот начиная от нижнего, то есть антенна на 1 TV-канал будет принимать и остальные каналы как метровые так и дециметровые. Длина кабеля от антенны к телевизору некритична.

Кроме бесспорного преимущества – простоты – такая антенна имеет еще одно очень важное достоинство. На длинах волны ниже 0,1 длины ее периметра коэффициент усиления стремительно падает. Это позволяет при использовании приемной магнитной антенны избежать перегрузки телевизора от расположенной рядом или ведомственной, или любительской радиостанции.

Если использование магнитной антенны для цели устранения TVI затруднительно, например, она обеспечивает слабый уровень сигнала, то можно использовать фильтр, сделанный из двух таких антенн (рис.26).

Такой фильтр незначительно ослабляет частоты телевизионных каналов и не дает искажения ТV-сигнала по сравнению с традиционными на LC-элементах. Конечно, он гораздо проще, чем LC-фильтр. Установить его можно как внутри телевизора, так и в тяжелых условиях приема и на приемной телевизионной антенне. При уверенном приеме телевидения после установки такого фильтра качество приема, несмотря на ослабление, вносимое фильтром, может даже возрасти за счет уменьшения уровня приема отраженного сигнала.

Диаметр магнитных антенн в фильтре на рис.26 может быть от 3 до 6 см.

При использовании магнитной антенны для приема УКВ-ЧМ оказалось, что она обеспечивала гораздо лучшее качество приема, чем любая суррогатная и даже наружная антенна. Периметр рамки для приема УКВ-ЧМ диапазона 70 МГц может быть в пределах 40-20 см.

При дальнейших опытах с магнитной рамочной антенной был получен еще один очень интересный результат.

Как известно, любая приемная антенна, которая не согласована с нагрузкой, часть принимаемой мощности ВЧ-сигнала излучает обратно. Используя этот принцип, оказалось возможным найти такую точку около приемной антенны типа “волновой канал”, в которой такая магнитная антенна обеспечивала удовлетворительный прием даже на значительном расстоянии от телецентра. Без вспомогательной антенны качество приема было плохим (рис.27).

В тяжелых условиях приема хороший результат получался при надевании магнитной антенны на активный вибратор многоэлементной приемной антенны. Телевизор, работающий от многоэлементной приемной антенны, работал при таком “дележе” TV-сигнала без ухудшения качества.

На основании этого опыта мною была изготовлена конструкция, позволяющая работать в каналах МВ и ДМВ с использованием одного кабеля (рис.28). Качество приема TV передач в зоне уверенного приема было хорошим. Петля магнитной антенны в этом случае была выполнена на средний МВ TV-канал.

Были проведены эксперименты с вибраторами длиной от четверти длины волны до длины волны TV-канала. В последнем случае антенна работала лучше. Необходимо обеспечить движение вибраторов вдоль их оси для подстройки антенны по лучшему качеству приема.

При использовании вибраторов в одну длину волны антенна получается громоздкой. Для уменьшения размеров антенны и усиления связи магнитной антенны с вибраторами мною была проведена попытка увеличить число витков магнитной антенны и выполнить витой вибратор (рис.29).

Оптимальное число витков магнитной антенны составило от двух до трех. Для вибратора была использована пластиковая лыжная палка диаметром 14 мм, на которой был намотан медный провод диаметром 2 мм и начальной длиной, равной длине TV-канала.

Настройка заключалась в отрезании провода по одному витку, растяжке – сжатии после этого вибратора, перемещении магнитной антенны по вибратору для наиболее качественного приема. В результате полной настройки антенны было отрезано около 30 % от длины провода вибратора. Такая антенна, настроенная на 4 канал, хорошо работала и в 6, и в 12 каналах, и по своим параметрам практически не уступала антенне на (рис.28).

Для приема ДМВ использовался помещенный в верхнюю часть антенны квадрат с периметром, равном длине волны TV-канала ДМВ (рис.30).

Витой вибратор можно выполнить как с близким расположением витков – 0-2 мм между витками – так и расположить витки на расстоянии 5-15 мм друг от друга. Необходимо понимать, что свою настройку необходимо провести в каждом индивидуальном случае выполнения витого вибратора.

 

ЛИТЕРАТУРА.

1. Н.А. Коганович. Радиооборудование самолетов. Оборониздат М., 1962.

2. Г.Б. Белоцерковский. Основы радиотехники и антенны. РиС., М., 1983.

3. Радио N 7, 1989.

4. Радио N 2, 1990.

5. Н.Т. Бова, Г.Б. Резников. Антенны и устройства СВЧ. Киев, Высшая школа, 1982.

6. Н.Н. Федоров. Основы электродинамики. Высшая школа, М., 1980.

7. Радиолюбитель N 1, 1991.

8. QST March 1979, Doug De Maw, On Ferrite- Rod Inductors, p. 38.

9. Радиолюбитель N 5, 1992.

И.Н.Григоров (RK3ZK).

Магнитная петлевая антенна I1ARZ для работы на диапазонах 40, 80 и 160 метров | RUQRZ.COM

Хорошие результаты, полученные с антенной «Magnetic Loop», побудили I1ARZ попытаться построить антенну на НЧ-диапазоны. Вначале он намеревался построить петлевую антенну круглой формы (рис.1) с периметром около 10,5 м, что составляет четверть длины волны на диапазоне 7 МГц. Для этой цели была изготовлена петля из медной трубки диаметром 40 мм с тонкими стенками Однако в ходе работ выяснилось, что сгибание и разгибание трубок таких размеров — достаточно трудное дело, и форма антенны была изменена с круглой на квадратную. Некоторое снижение эффективности при этом компенсируется значительным упрощением изготовления.

Для диапазона 1,8…7,2 МГц можно использовать медную трубку диаметром 25…40 мм. Можно также использовать дюралевые трубки, однако не у всех есть возможность сварки в аргоне. После сборки вся антенная рамка покрывается несколькими слоями защитного лака.

Для правильной работы антенны очень важен настроечный конденсатор. Он должен быть хорошего качества, с большим промежутком между пластинами Использован вакуумный конденсатор емкостью 7…1000 пФ с допустимым напряжением 7 кВ Он выдерживает мощность в антенне более 100 Вт, что вполне достаточно. В том случае, когда используется диапазон 160 м, емкость должна достигать 1600 пФ.

Петля квадратной формы собирается из четырех медных трубок длиной 2,5 м и диаметром 40 мм Трубки соединяются вместе с помощью четырех водопроводных колен из меди. Трубки привариваются к коленам. Противоположные стороны рамки должны быть параллельны друг другу. В верхней трубке посередине вырезается кусок длиной в 100 мм, в вырез вставляется тефлоновый шпиндель и закрепляется с обеих сторон хомутиками и винтами. Диагональ петли составляет 3,4 м, полная длина — 10,67 м (вместе с медными пластинками шириной 50 мм, к которым прикреплены концы трубки, обеспечивающими подключение настроечного конденсатора). Для обеспечения надежного контакта пластинки после их прикрепления необходимо приварить к концам трубки.

На рис.2 приведена конструкция рамки вместе с основанием и несущей мачтой. Мачта должна быть диэлектрической, например из стеклволокон- ного удилища. Можно использовать также пластмассовую трубку. В нижней части рамка фиксируется на несущей мачте стальными хомутиками (рис.3).

Для упрочнения нижнего горизонтального куска рамки на него натягивается на длине примерно 300 мм нагретая медная трубка несколько большего диаметра. Мотор, вращающий конденсатор, укрепляется на стальной трубе на высоте над крышей около 2 м. Для придания жесткости всей конструкции ниже мотора устанавливается не менее трех растяжек.

Проще всего согласовать антенную рамку и линию питания с помощью витка коаксиального кабеля типа RG8 или RG213 Диаметр витка определяется опытным путем (примерно около 0,5 м). Подключение внутренней жилы и оболочки кабеля осуществляется в соответствии с рис.4

После того как согласующий виток настроен на наименьший КСВ, для защиты от осадков поверх места подключения натягивается гофрированная пластмассовая трубка. На конце согласующего витка нужно установить коаксиальный разъем. В месте нижнего крепления согласующего витка под крепежный дюралюминиевый хомут продевается кусок медной ленты, которая после загибания припаивается к экранирующей оболочке кабеля. Она нужна для хорошего электрического контакта с заземленной дюралевой трубкой (рис.5). В верхней части согласующий виток крепится к диэлектрической мачте резиновыми хомутиками.

Если антенна располагается на крыше, для дистанционного управления настроечного конденсатора необходим блок привода мотора постоянного тока. Для этой цели годится какой-либо магнитофонный мотор небольших размеров с небольшим редуктором. Мотор связывается с осью конденсатора изолирующим сцеплением или пластмассовой шестерней Ось конденсатора необходимо также механически присоединить к потенциометру 22 кОм группы А С помощью этого потенциометра внизу определяется положение настроечного конденсатора. Полная схема блока управления показана на рис.6.

Естественно, потенциометр необходимо расположить с той же стороны, что и мотор, соединив их двумя пластмассовыми шестернями или фрикционной передачей. Весь блок настройки размещается в герметично закрывающемся пластмассовом корпусе (или трубке). Кабель к мотору и провода от потенциометра прокладываются вдоль стекло- волоконной несущей мачты. В случае, если антенна размещается недалеко от радиостанции (например на балконе), настройку можно осуществлять непосредственно с помощью длинного валика на изолированной ручке.

Размещение настроечного конденсатора

Как уже упоминалось, неподвижная и подвижная части настроечного конденсатора присоединяются к верхней, разрезанной части рамки с помощью двух медных пластин толщиной около 0,5 мм, шириной 50 мм и длиной 300 мм каждая. Настроечный конденсатор размещается в пластмассовой трубке, которая крепится к вертикальной стекловолоконной несущей мачте (рис.7). Верхняя часть рамки соединяется тефлоновым шпинделем и крепится к несущему стекловолоконному столбу с помощью U-образных болтов.

Настройка

Настройте TRX на эквивалент нагрузки, переключите выход TRX на антенну. Антенный тюнер в этом опыте не используйте. При пониженной выходной мощности начинайте вращать конденсатор до получения минимума КСВ Если достичь низкого КСВ таким способом не удается, попытайтесь несколько деформировать согласующий виток. Если КСВ не улучшается, виток необходимо или удлинить, или укоротить. Проявив немного терпения, можно в диапазонах 1,8…7 МГц достичь КСВ 1… 1,5 Достигнуты следующие значения КСВ 1,5 на 40 м, 1,2 на 80 м и 1,1 на 160 м.

Результаты

Настройка антенны очень «острая». В диапазоне 160 м полоса пропускания антенны составляет единицы килогерц. Диаграмма направленности (ДН) — почти круговая. На рис.8 приведены ДН в горизонтальной плоскости для различных вертикальных углов излучения.

Наилучшие результаты антенна дает в диапазоне 40 м. При мощности 50 Вт автор установил немало связей с восточным побережьем США с рапортом 59. На расстояниях до 500 км днем рапорты были 59+20…25 дБ. Антенна также очень хороша на прием, поскольку достаточно «острая» настройка уменьшает шумы и сигналы работающих рядом сильных станций Антенна работает удивительно хорошо и в диапазоне 160 м. С первых попыток была установлена связь на расстоянии свыше 500 км с рапортом 59+20 дБ. С принципиальной точки зрения, в этом диапазоне эффективность антенны гораздо ниже, чем в диапазоне 40 м (см.таблицу).

Заключительные замечания

• Антенну необходимо размещать по возможности дальше от ботьших металлических предметов, таких как ограды, металлические столбы, водосточные трубы и т.д.
• Антенну не рекомендуется размещать внутри помещений, поскольку рамка антенны при передаче излучает сильное магнитное поле, которое вредно для здоровья.
• При работе с мощностями выше 100 Вт рамка нагревается под действием большого тока.
• На самом верхнем диапазоне поляризация антенны горизонтальная.

В таблице выше приведены основные электрические параметры антенны в указанных диапазонах. Аналогичную антенну можно построить и на более высокочастотные диапазоны, соответственно уменьшая размеры рамки и емкость настроечного конденсатора.

Radiotechnika

Что еще почитать по теме: