Магнитная антенна своими руками


Магнитная антенна своими руками
Магнитная антенна своими руками


Магнитная антенна своими руками

Магнитная антенна конструкции RX3AKT

Расскажу про оригинальную антенну в виде разомкнутой рамки, которую я называю "ВЫРОЖДЕННАЯ MAGNETIC-LOOP"

  Она хороша своими размерами при сохранении полноценной эффективности (в сравнении с полуволновым диполем). Напомню, как я "открыл" эту антенну. Сразу скажу, что о таком типе антенн упоминается в книжках и Ротхамеля и Беньковского-Липинского. Поэтому я ни в коей мере не претендую на авторство. Просто там (в книжках) СОВЕРШЕННО не описан принцип действия такой рамки. Дается только коротенькое описание конструкции, без размеров и рисунок. [1] [2] Я же ее открыл совершенно самостоятельно, балуясь с программой для расчета параметров традиционных антенн MAGNETIC-LOOP, английского радиолюбителя G4FGQ (программа рассылается мною по электронной почте: ) Кстати, я как мог, перевел ее на русский язык. Эта программа досталась мне в результате взаимодействия с известным радиолюбителем RV3BC. Он в свое время профессионально занимался внедрением антенн магнетик-лупо, в частности, на судах Ленского и Енисейского пароходств. Программа показала отличное совпадение вычисленных с ее помощью результатов и практики. Так вот - задавая различный периметр рамки для определенной частоты, я увидел, что программа начинает "ругаться" при достижении им определенной величины - полволны. Я более пристально взглянул на эту ситуацию. Эксперименты с программой я начинал, с размеров традиционных магнитных рамок - не более метра. Увидел, что при мощности в 100 Вт ток у основания рамки (напротив конденсатора) достигал нескольких десятков Ампер. Для таких токов естественно требуется соответствующий "проводник" - медная труба приличного диаметра. Иначе потери возрастают катастрофически. Правда эффективность такой рамки и так получается очень небольшой - процентов пять, десять, по сравнению с полноценным диполем. Напряжение на конденсаторе также имеет огромные значения. Известны трудности при реализации таких антенн радиолюбителями. Основная из них - именно переменный конденсатор. К достоинствам рамки малого диаметра можно отнести очень узкую полосу пропускания. Это иногда помогает при наличии мощных помех на соседних частотах. Еще один плюс - направленность. Тут надо вспомнить основы. Почему вообще эта антенна названа магнитной? Здесь надо помнить одно правило: ток в проводнике рождает магнитное поле, а напряжение - электрическое. Вопрос - к какому типу антенн относится полуволновой диполь? (исходная антенна для расчетов и сравнений с антеннами других типов). Ведь там имеется участок с максимальным током (центр, место питания) и участок с максимальным напряжением - концы диполя. Так, вот! Оказывается полуволновой диполь и есть на самом деле та самая пресловутая EH-антенна. Именно от него "отскакивает" 50 процентов магнитного поля и 50 процентов электрического. Другие крайние случаи - это антенна "элементарный электрический диполь" [3] и "элементарный магнитный диполь" [4]. Диаграмма направленности первой антенны - диполя, всем известна, а, вот, с диаграммой направленности магнитной рамки и просто замкнутой рамки (всем известные дельты и квадраты) произошла путаница. Полноразмерные петлевые антенны образованы из того же полуволнового диполя путем замыкания его концов полуволновой перемычкой. То есть, по сути, петлевая резонансная антенна является тем же самым диполем и диаграмма направленности у нее такая же. Перпендикулярно плоскости - максимум, по ребру - минимум. Что же получается для рамки малого диаметра? Вспомним магнитную антенну в карманном приемнике. Как там выглядит диаграмма направленности относительно витков обмотки на ферритовом стержне. Ясное дело - максимум перпендикулярно стержню или по ребру витков обмотки. Другими словами - картина ПРОТИВОПОЛОЖНАЯ относительно полноразмерной рамки. Теперь понятно, что, чем меньше диаметр рамки, тем больше она становится истинно МАГНИТНОЙ АНТЕННОЙ.

  Вернемся к моей "новооткрытой" антенне. При увеличении периметра обруча антенна все больше приобретает свойства излучать и электрическую составляющую ЭМ поля в БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ (Напомню, что существует еще СРЕДНЯЯ ЗОНА, она же - ЗОНА ФРЕНЕЛЯ. В ней начинается "разворачивание" полноценной электромагнитной волны. Есть и ДАЛЬНЯЯ ЗОНА. В ней электрическая (Е) и магнитная (Н) составляющая существуют "на равных правах", рождают одна другую, тем самым, способствуя собственному распространению в пространстве.) У привычной по конструкции магнитной антенны электрическая составляющая образуется в районе переменного конденсатора. Соотношение энергий Е и Н волн зависит от соотношения диаметра рамки и длины волны. При достижении периметра рамки длины равной полволны антенна фактически превращается в классический полуволновой диполь с полотном свернутым в кольцо, но НЕ ЗАМКНУТЫМ. Распределение токов и напряжений вдоль проволоки сохраняется, как у диполя. При периметре такой рамки близком к полволне по результатам моделирования мы с удивлением обнаруживаем, что емкость переменного конденсатора превратилась в НОЛЬ, т.е. ВЫРОДИЛАСЬ в РАЗРЫВ. Поэтому: ВЫВОД ОДИН: Нет необходимости ставить дорогой и сложный переменный конденсатор. Вдобавок, мы видим, что напряжение на этом "бывшем конденсаторе", а ныне разрыве теперь имеет вполне приемлемые значения, гораздо ниже, чем у прототипа. ВЫВОД ДВА: Антенна стала гораздо надежнее за счет отсутствия эффекта электропробоя "конденсатора". Мы замечаем, что ток у основания кольца также значительно уменьшился. ВЫВОД ТРИ: Нет необходимости делать полотно из толстой трубки. Достаточно провода диаметром несколько мм. Т.е. антенна превращается в проволочную и легко транспортабельную. Обратим также внимание на полученную эффективность по сравнению с рамкой малого диаметра. ВЫВОД ЧЕТЫРЕ: Эффективность ЗНАЧИТЕЛЬНО возросла. А как же быть с упомянутыми преимуществами MAGNETIC-LOOP? Мы видим, что рабочая полоса антенны также значительно расширилась. Имея гораздо большую эффективность, мы можем "простить" этот "дефект". Кстати, за счет малой эффективности и узкой полосы традиционные магнитные рамки славились, как очень малошумящие. На самом деле этот эффект являлся в чистом виде САМООБМАНОМ. Шумы эфира уменьшались ВМЕСТЕ с сигналом. На прием, при чудесной чувствительности приемников современных трансиверов, это "преимущество" и производило ИЛЛЮЗИЮ МАЛОШУМНОСТИ. Но, конечно основным преимуществом вырожденной магнетик-луп является ее размеры. При вдвое меньшем периметре, антенна имеет ту же эффективность, что и диполь. Например, ПОЛНОЦЕННАЯ антенна на 2-х метровый диапазон будет выглядеть, как колечко диаметром всего 30 см. сделанное, например, из стального биметалла. Такая антенна легко помещается в портфельь-дипломат. Считаю целесообразным сделать еще один интересный вывод – ВЫВОД ПЯТЬ: Рамка круговой формы имеет наибольшую эффективность по сравнению с рамками любых других форм. Кстати, рамка в виде треугольника имеет НАИХУДШЕЮ эффетивность, но самые удобные условия подвеса.

 

                                                                                       Рис. 1

  Какая же диаграмма направленности получилась у такой антенны? Здесь помогла программа MMANA и практика (Рис.1). При горизонтальном расположении полотна видим, что магнитная составляющая, как ей и положено, распологается в виде бублика по образующей окружности антенны. Электрическая составляющая тоже есть! Она выглядит, как два мячика. Один из них положен на бублик сверху, другой снизу, как у волновой резонансной рамки. В результате получается довольно любопытная картина – суммарная ДН представляет собой почти шар. Только есть два заметных минеимума, которые представляют собой два объемных конуса по обе стороны плоскости рамки и с острыми вершинами точно в центре круга антенны. На практике при вертикальном расположении рамки, при полном обороте эти минимумы ощущаются, как четыре резких минимума примерно под 45 градусов к ее плоскости. Эксперимент был произведен во время проведения одного из слетов на оз. Валдай для варианта антенны на диапазон 10 м.

   

                                          Рис. 3                                                                                    Рис. 4

  Теперь о конкретной конструкции. Как было изложено выше, антенна представляет собой проволочное полотно длиной (периметром) пол-волны, свернутое в рамку. Питание осуществляется в центре длины провода, а его концы соединены через изолятор. Расположение рамки в пространстве почти БЕЗРАЗЛИЧНО. В любом случае обеспечивается круговая ДН. На ВЧ диапазонах антенну желательно делать из стального или жеского алюминиевого провода в свободном подвесе т.е. без растяжек и поперечин (Рис.2, Рис.3) На НЧ бендах – в виде проволочного треугольника или квадрата горизонтально земле (Рис.4).

Рис. 4

  Изолирующий разрыв (бывший конденсатор) выполняется в виде двух плоских пластинок с канавками под зажим провода. Пластинки сделаны их хорошего изолятора, например фторопласта, и стягиваются болнами. Такая конструкция обеспечивает возможность регулировки резонансной частоты антенны при изменении степени перехлеста проводников полотна, зажатых каждый в своей канавке. Для сохранеия кольцевой формы (на ВЧ бендах) желательно соединить верх и низ полотна толстой леской, длиной равной диаметру антенны. Это предотвратит элипсообразное растягивание рамки при установке на мачте или “веревочном” подвесе с креплением сверху. Как и любая симметричная антенна, эта антенна должна питаться симметрично. Для этого применяется симметрирующий трасформатор на ферритовом кольце. Для согласования с полотном применяется Т-образная система. На практике установлены соотношения сторон согласующей системы по отношению к длине волны. При практическом повторении антенны расчетные данные Т-систамы имеют хорошую повторяемость от диапазона к диапазону. На НЧ диапазонах резонансную частоту рамки удобно подстраивать шунтом в угле питания. Настройка данной антенны, впрочем, как и всех других антенн, заключается в изменении всех ее регулировок с целью получения минимального КСВ в точке присоединения к ней кабеля. То есть – НА ВЕРХУ в непосредственной близости от полотна. Только после этого антенна поднимается на рабочую высоту. Естественно, что после такой настройки ни о какой подгонке длины фидера или о применении пресловутого “полуволнового повторителя” речи быть не может. Одним из кретериев нормальной настройки как раз и является постоянство КСВ, измеренного ВНИЗУ, при намеренном изменении длины кабеля.

В заключении отмечу, что данная антенна является однодиапазонной. На возражение аппонентов против этого факта повторю известную истинну: “Хорошая антенна должна быть резонансной, а по-настоящему резонансной она может быть только на одном диапазоне".

Сергей Макаркин (RX3AKT)

31.01.2008

Ссылки на литературу:

[1] З.Беньковский, Э. Липинский "Любительские антенны КВ и УКВ" изд. "Радио и Связь" 1983 стр. 441

[2] К. Ротхамель "Антенны" изд. "Бояныч" СПБ 1998 (однотомник) стр. 422, 423

[3] З.Беньковский, Э. Липинский "Любительские антенны КВ и УКВ" изд. "Радио и Связь" 1983 стр. 17

[4] З.Беньковский, Э. Липинский "Любительские антенны КВ и УКВ" изд. "Радио и Связь" 1983 стр. 19

Отзывы, впечатления, предложения можно поместить и посмотреть здесь:

Фотокомментарии к статье.

Антенна на диапазон 10 метров (средняя частота 28,4 МГц) в свернутом (транспортном) состоянии. Всегда готова "расправить крылья" в путешествии.

Изолятор из орг-стекла. Канавки для крепления концов рамки. Четыре болта из латуни. Такая конструкция и орг-стекло не самый лучший вариант для изолятора. Когда я работал в эфире пошел дождь. Из изолятора посыпались искры и он немного оплавился. Лучше использовать фторопласт и сделать изолятор не разрезным, а сплошным, с двумя сквозными отверстиями.

В одну из половинок изолятора вплавлены гайки М4 из латуни. Это облегчает сборку антенны в полевых условиях.

Развернутая антенна. Т-матчер служит для согласования сопротивления выхода симметрирующего трансформатора (50 Ом) с полотном антенны. Питание “в разрыв”, как у традиционного диполя НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ. Полотно Т-матчера сделано из медной проволоки диаметром 1,2 мм. Длина одного плеча составляет 22,5 см. и уточняется в процессе настройки антенны. Я отказался от несимметричного согласования, т.к. уверен, что должен соблюдаться принцип: “СИММЕТРИЧНОЕ ДОЛЖНО ПИТАТЬСЯ СИММЕТРИЧО”, даже если имеется эффект автосимметрирования, как для варианта питания такой антенны, показаного в книге К. Ротхамеля. Для симметрирования я использую широкополосный трансформатор с коэффициентом трансформации 1:1, намотанный тремя слабоскрученными проводами РАЗУМНОЙ толщины (0.3...3,0 мм) на ферритовом кольцевом сердечнике РАЗУМНОГО размера (2...20 см в диаметре) с РАЗУМНОЙ магнитной проницаемостью (от 100 до 2000). Число витков тоже РАЗУМНОЕ - от 5 до 15. Для НАСТОЯЩЕГО ШПТЛ эти параметры слабокритичны. После намотки провода соединяются последовательно. Если нарисовать схему такого трансформатора вертикально, то она будет представлять собой обмотку с двумя крайними (нижний и верхний) одиночными выводами и двумя отводами. Пронумеруем выводы сверху вниз, как 1, 2, 3 и 4. На вывод 1 (верхний) подаем сигнал от центральной жилы кабеля. Выводы 2 и 4 - это симметричный выход. С них сигнал подается на Т-матчер. Вывод 3 - земля, оплетка кабеля. Оновной принцип ЛЮБОГО симметрирующего трансформатора - ЗЕМЛЯ ДОЛЖНА БЫТЬ В ЦЕНТРЕ, МЕЖДУ СИММЕТРИЧНЫМИ ВЫВОДАМИ. В нашем случае - 2 и 4. В данном трансформаторе доля витков несимметричной части (между 1 и 3) и доля витков симметричной части (2 и 4) РАВНЫ. Поэтому и получается к-т трансформации 1:1. Перед установкой на антенну трансформатор должен пройти тестирование “на столе” при работе на эквивалент нагрузки 50 Ом, подключенный к СИММЕТРИЧНЫМ выводам. Необходимо убедится, что КСВ, измеренный на несимметричной стороне трансформатора будет равен единице. После такой проверки можно не опасаться, что трансформатор будет вносить изменения в цепочку: передатчик, фидер, симметрирующий трансформатор, Т-матчер, антенна. На ВЧ диапазонах возможно потребуется компенсация паразитной индуктивности обмотки трансформатора конденсатором, емкость которого необходимо подобрать все по тому же принципу - минимум КСВ на несимметричной стороне при работе на активный эквивалент нагрузки.

Для других диапазонов можно вычислить длину плеча Т-матчера в сантиметрах по формуле: длина волны середины рабочего участка антенны в метрах умноженная на к-т, равный 2,13. Окончательную длину плеч Т-матчера подбирают при настройке антенны (ниже). Толщину и материал провода можно выбирать произвольно, из имеющегося в распоряжении.
.

Настройка Т-матчера производится путем симметричного перемещения двух замыкающих перемычек, соединяющих полотно антенны и концы провода Т-матчера.

Походный вариант антенны снабжен разъемом СР-50 для возможности подключения кабеля любой длины. Разъем, ШПТЛ и основание Т-матчера крепится на планке из орг-стекла.

Собранная антенна может крепиться к мачте или подвешиваться за оттяжку сверху. Для того, что бы она сохраняла форму круга по диаметру сверху вниз протянута леска диаметром 1.0 мм. На ВЧ диапазонах желательно придавать антенне форму круга, как наиболее эффективной для излучения. Если в распоряжении радиолюбителя есть довольно легкий, но прочный и упругий пруток или трубка из алюминия или стали, то можно создать рамку без распорок и оттяжек, как у меня. Полотно антенны должно быть сделано из неизолированного проводника.

Полотно данной антенны имеет суммарную длину 475 см. Питание осуществляется ровно в центре полотна. Для других диапазонов длину полотна В САНТИМЕТРАХ (периметр рамки) можно вычислить по формуле: длина волны середины рабочего участка антенны в метрах умноженная на к-т, равный 44,97

Настройка антенны производится по минимальному КСВ на ее входе (на несимметричном входе ШПТЛ). Причем и КСВ-метр и передатчик во время настройки должны располагаться в непосредственной близости от антенны.. Сперва мощность передатчика берется небольшой, порядка 5…10 Вт. Затем, по мере улучшения измеряемого КСВ, мощность доводят до максимума (100 Вт). Точность показаний стрелочных КСВ-метров зависит от мощности, проходящей через них. Чем больше мощность, тем больше точность. Настройка антенны на нужную частоту производится путем регулировки перехлеста концов рамки на изоляторе. Согласование входного сопротивления – путем подбора положения замыкающих перемычек Т-матчера. Обе этих переменных (перехлест и перемычки Т-матчера) оказывают влияние и на резонансную частоту и на согласование. Поэтому, необходимо действуя обеими этими “рычагами” добиться минимальных показаний КСВ-метра на необходимой частоте. После такой настройки к антенне можно подсоединять коаксиальный каюель ЛЮБОЙ длины и не бояться, что что-то “уйдет” даже при водружении полотна на другое место.

Дополнение: в прилагаемом архиве данные моделирования в MMANA. Из них видно, что диаграмма направленности при вертикальном расположении рамки получается такая же, как у вертикала.


12.02.2008

RX3AKT

 


Источник: http://cqmrk.ru/articles/85.html



Магнитная антенна своими руками

Магнитная антенна своими руками

Магнитная антенна своими руками

Магнитная антенна своими руками

Магнитная антенна своими руками

Магнитная антенна своими руками

Магнитная антенна своими руками

Магнитная антенна своими руками

Похожие новости: