Рамочная активная антенна своими руками.
Делаем рамочную активную антенну для простых коротковолновых радиоприемников.
Есть ли возможность слушать эфир людям, у которых нет места для установки больших, полноразмерных антенн? Один из выходов- рамочная активная антенна, установленная прямо на столе, возле радиоприемника.
О практическом изготовлении подобной антенны и будет рассказано в этой статье…
Итак, малогабаритная рамочная активная антенна, это антенна состоящая из одного или нескольких витков медного провода ( трубки) или даже коаксиального кабеля. В сети есть предостаточно примеров таких антенн.
Свою антенну я изготовил в виде вертикальной конструкции, которая устанавливается на столе возле радиоприемника. Рамочная активная антенна представляет собой этакую большую катушку индуктивности, изготовлена из медного провода диаметром 1,2 мм и содержит четыре витка. Количество витков выбрано наобум)). Диаметр изготовленной рамочной антенны примерно 23 см:
Для уменьшения собственной емкости витки антенны намотаны с шагом 10 мм. Для поддержания постоянства шага намотки, а также придания всей конструкции необходимой жесткости применены промежуточные распорки, изготовленные из стеклотекстолита толщиной 2 мм. Эскиз распорок приводится ниже:
Так выглядит промежуточная распорка в антенне:
Для придания устойчивости все этой конструкции применены опорные стойки, также изготовленные из стеклотекстолита,и которые служат как бы ножками антенны:
Медный провод продевается в соответствующие отверствия распорок и стоек, и фиксируется в них капелькой цианакрилатного клея.
Так выглядит стойка в изготовленном экземпляре антенны:
Общий вид изготовленной антенны:
Ради интереса подключил изготовленную рамочную антенну к антенному анализатору АА-54.
Обнаружился собственный резонанс антенны на частоте 14,4 МГц.
На фото ниже дисплей антенного анализатора АА-54 в момент измерения параметров рамочной антенны на частоте резонанса:
Как видим, импеданс антенны на частоте 14,4 МГц составляет 13,5 Ом, активное сопротивление-7,3 Ома, реактивное сопротивление относительно небольшое-минус 11,4 Ома и носит емкостной характер.
Индуктивность рамочной антенны ( а она, собственно, и представляет собой катушку индуктивности) составила 7,2 мкГн.
Это все, что касается изготовления и параметров собственно рамочной антенны.
Но, поскольку антенна активная, значит в ее составе имеется и антенный усилитель.
При выборе схемы антенного усилителя руководствовался принципом подобрать что-либо не слишком заумное и сложное, и простое в изготовлении.
Гугл, как всегда, вывалил гору схем)) Не долго думая, выбрал одну из них, которая мне показалась интересной.
Схема этого антенного усилителя была опубликована еще где-то в начале 2000-х годов в одном из зарубежных журналов. Мне этот усилитель показался интересным с той точки зрения, что он имеет симметричный вход-как раз подходящий для моей рамочной антенны.
Принципиальная схема антенного усилителя:
В оригинале в этом усилителе были применены транзисторы серии BF- что-то типа BF4**.
В наличии таких не оказалось, поэтому собрал усилитель из того, что было под рукой-2N3904, 2N3906, S9013.
Собственно, усилительный каскад собран на транзисторах VT1VT2. На транзисторе VT3 собран эмиттерный повторитель для согласования высокого выходного сопротивления усилителя с относительно невысоким входным сопротивлением радиоприемников.
Усилитель питается напряжением 6 В. Режимы работы транзисторов устанавливаются подбором резистора R3. Напряжения на электродах транзисторов указаны на схеме.
Усилитель заработал практически сразу. Попробовал было установить в этом усилителе транзисторы КТ315,Кт361-но эффективность работы его сразу заметно ухудшилась, поэтому от такого варианта отказался. Антенный усилитель я собрал на монтажной плате, но, подготовил и печатную плату для него:
В качестве приемника для натурных испытаний активной рамочной антенны с усилителем был выбран приемник прямого преобразования на микросборке 2ТС613Б.
Подключив выход антенного усилителя ко входу приемника и включив питание, сразу отметил увеличение уровня шума. Это и не удивительно-антенный усилитель вносит свой вклад…
Последним этапом испытаний было подключение собственно рамочной антенны ко входу антенного усилителя и попробовать принять какие-либо сигналы с эфира..
И это удалось! Хорошо слышны много станций работающих с однополосной модуляцией на диапазоне 40 м. Понятно, что станции слышны не так громко как на полноразмерную антенну. Да и нельзя сравнивать нормальную антенну с рамочной антенной, находящейся рядом с приемником. Также при работе активной рамочной антенны наблюдается несколько повышенный уровень шумов. С этим нужно мириться- это плата за малогабаритность. Также желательно такую антенну располагать подальше от всевозможных источников помех- зарядки, энергосберегающие лампочки, сетевое оборудование и т. п.
Выводы: такая антенна вполне себе имеет право на жизнь, станций принимает достаточно много. Для тех, у кого нет возможности повесить большую, длинную антенну, это может быть выходом из ситуации.
Видео демонстрации работы рамочной активной антенны на диапазоне 7 МГц:
www.myhomehobby.net
Рамочная антенна для приема российских мультиплексов
Трехэлементная рамочная антенна имеет узкий главный лепесток диограммы направленности и высокий коэффициент усиления. Для ДМВ диапозона, в котором транслируется российские 1, 2 и 3 мультиплекы в формате DBV-T2, размеры антенны очень компактны. Поэтому «Тройной квадрат» с успехом может заменить комнатную антенну.
Наиболее оптимальная длина ребра рефлектора на 4% больше длины ребра вибратора. Зависимость усиления рамочной антенны «Тройной квадрат» от расстояния между элементами приведена на рисунке. При Б = 0,11L имеем максимальное усиление.
Входное сопротивление антенны, как и ее усиление, также определяется расстоянием между элементами антенны. Например, при расстоянии между рефлектором и вибратором Б=0,11L получаем, что входное сопротивление антенны равно 65 Ом, а усиление по сравнению с полуволновым диполем равно 6,6 дБ.
При расчете антенны типа «Тройной квадрат» можно пользоваться следующими формулами: В = 0,255L; Р = 0,261L; Д = 0,247L, где L — длина волны. Оптимальное расстояние между элементами А (Б) = 0,11….0,15L. Размеры элементов для дециметрового диапозона (телевизионных каналов 21 — 80) антенны «Тройной квадрат» приведены в таблице.
| Каналы | Д (мм) | В (мм) | Р (мм) | А (мм) | Б (мм) | Ш (мм) |
| 21 — 26 | 134 | 158 | 193 | 57 | 98 | 152 |
| 27 — 32 | 122 | 144 | 176 | 61 | 89 | 139 |
| 33 — 40 | 110 | 131 | 160 | 55 | 80 | 126 |
| 41 — 49 | 99 | 117 | 143 | 50 | 72 | 112 |
| 50 — 58 | 89 | 105 | 129 | 45 | 69 | 102 |
| 59 — 68 | 81 | 96 | 113 | 41 | 59 | 92 |
| 59 — 80 | 73 | 86 | 106 | 37 | 53 | 83 |
Сетка частот телевизионных каналов в г. Жуковском Московской области.
| Канал | Частотные границы, МГц | Средняя длина волны, м | Примечание |
| 24 | 494 — 502 | 0,602 | 3 мультиплекс |
| 30 | 542 — 550 | 0,549 | 1 мультиплекс |
| 34 | 574 — 582 | 0,519 | 2 мультиплекс |
Поэтому в данном населенном пункте оптимальной будет антенна, расчитанная на 30 телевизионный канал (Несущая частота 546 МГц).
Рамочную антенну «Тройной квадрат» можно улучшить путем добавления еще трех элементов. Коэффициент усиления доработанной антенны значительно возрастает, что даст ей преимущество при использовании ее как в комнатном, так и в наружном варианте. Конструкция антенны представлена на рисунке,
размеры — в таблице.
| Каналы | З | Г | Ж | Д | В | Р | А | Б | И | К | Л | Ш |
| 21… 26 | 68 | 90 | 112 | 134 | 158 | 193 | 67 | 98 | 55 | 43 | 31 | 150 |
| 27 … 32 | 56 | 79 | 100 | 122 | 144 | 176 | 61 | 89 | 49 | 37 | 25 | 138 |
| 33… 40 | 44 | 66 | 88 | 110 | 131 | 160 | 55 | 80 | 43 | 31 | 19 | 124 |
| 41 … 49 | 33 | 55 | 77 | 99 | 117 | 143 | 50 | 72 | 38 | 27 | 16 | 109 |
| 50… 58 | 24 | 45 | 67 | 89 | 105 | 129 | 45 | 69 | 34 | 21 | 12 | 99 |
| 59 … 68 | 17 | 38 | 59 | 81 | 96 | 113 | 41 | 59 | 30 | 18 | 8 | 96 |
| 69… 80 | 10 | 31 | 52 | 73 | 89 | 106 | 37 | 53 | 26 | 14 | 4 | 81 |
Для изготовления можно использовать провод из меди или латуни диаметром 3…5 мм. Провод последовательно выгибается по форме, показанной на рисунке, места соединений спаиваются. Для большей прочности конструкции перед пайкой места соединений можно стянуть тонкой медной проволокой.
Антенный кабель припаивается в точках«а» и «в». В точке «с» оплетка кабеля соединяется с материалом антенны.
audiohobby.ru
Изготовление рамочной антенны | hardware
Под рамочной антенной подразумевают селективную, узкополосную магнитную антенну, состоящую из находящихся в одной плоскости квадратных петель (витков) проводников и конденсатора. По сути это большой колебательный контур, чувствительный к магнитной составляющей электромагнитного радиосигнала. Рамочная антенна часто используется для частот длинных и средних волн от 50 кГц до 1.6 МГц. Частными случаями рамочной антенны можно считать антенну с ферритовым магнитным стержнем и петлевую антенну, витки которой образуют окружность (перевод статей [1, 2]).
[Теория и практика рамочных антенн]
Рамочная антенна обладает диаграммой направленности в виде восьмерки. Таким образом, кроме селективности по частоте, она может также выбирать источник сигнала по его азимуту.
Как известно, радиосигнал состоит из электрических и магнитных колебаний. Прием магнитной составляющей радиосигнала обусловлен специальной конструкцией рамочной и ферритовой антенн. Телескопическая антенна и полуволновые диполи, в отличие от рамочной антенны, реагируют на электрическое переменное поле высокочастотного сигнала. Из-за этого у магнитных антенн есть значительное преимущество они менее чувствительны к бытовым случайным помехам (компьютер, блок питания и т. д.). Другое преимущество магнитной антенны обусловлено её конструкцией: это колебательный контур с довольно высокой добротностью.
Недостатки рамочной антенны:
1. Рамочная антенна должна быть довольно точно настроена на частоту принимаемого сигнала.
2. Значительные размеры, из-за чего рамочная антенна получила распространение только у профессионалов радиосвязи. Чем больше размер антенны, тем выше её эффективность.
3. Высокое выходное сопротивление.
Итак, рамочная антенна это резонансный LC-контур, т. е. соединенные параллельно катушка и конденсатор.
Для настройки резонансного контура на нужную частоту конденсатор сделан переменным. Линии переменного магнитного поля проходят через витки катушки, и возбуждают в резонансном контуре колебания тока, если частота передачи совпадает или близка к частоте настройки колебательного контура. В колебательном контуре возникает резонанс напряжений и токов. Теперь мы можем подать эту довольно слабую энергию на вход приемника.
Рамочные антенны были особенно популярны в начале эры радио, но после перехода вещания на FM в конце 50-х годов они постепенно ушли в небытие. Тем не менее требовательный слушатель диапазона средних волн несомненно должен обратить внимание на рамочную антенну, так как их характеристики приема исключительно хороши.
[Простой эксперимент]
Оптимальная форма рамочной антенны — круг. Однако такая форма для требуемого размера антенны трудоемка в изготовлении, поэтому ограничиваются формой в виде прямоугольника или квадрата. Для первого эксперимента нам понадобится портативный приемник средних волн, около 20 метров изолированного провода (самые лучшие результаты дает многожильный провод литцендрат [3]), коробка из-под обуви и роторный переменный конденсатор емкостью примерно 500 пФ. Положите коробку на стол, и намотайте по её периметру 20..25 витков. Начало и конец обмотки подключите к статору и ротору переменного конденсатора. Направление витков и полярность подключения к конденсатору начала и конца обмотки не имеют значения.
Поставьте коробку вертикально, и поместите рядом с ней включенный приемник. Настройтесь на какую-нибудь радиостанцию, и после этого покрутите ручку переменного конденсатора рамочной антенны. Вы заметите, что при определенном положении ротора конденсатора прием становится качественнее и громче. Повторите то же самое со станцией на другой частоте, сигнал которой слабее. Вы снова заметите, что прием станции при точной настройке рамочной антенны становится громче.
При повороте ручки ротора конденсатора его емкость изменяется, следовательно также изменяется и резонансная частота контура. Когда прием громче всего, резонансная частота контура совпадает с частотой несущей передающей станции. При резонансе в катушке колебательного контура рамочной антенны создается усиленное переменное магнитное поле, которое индуктивно воздействует на ферритовую антенну, установленную внутри корпуса портативного приемника. Уровень сигнала увеличивается, что покажет индикатор S-метра приемника (если он имеется). Обратите внимание, что положение магнитной антенны приемника относительно рамочной антенны влияет на качество приема — самый большой уровень сигнала наблюдается, когда стержень магнитной антенны направлен перпендикулярно к плоскости витков катушки рамочной антенны. При повороте антенны в горизонтальной плоскости (вместе с приемником) уровень сигнала также меняется. Это демонстрирует направленный характер диаграммы чувствительности рамочной антенны.
[Математический аппарат]
Прежде чем заняться практическим изготовлением рамочной антенны давайте сначала рассмотрим формулы для её расчета.
Как уже упоминалось, рамочная антенна по существу состоит из колебательного контура. Частота резонанса колебательного контура вычисляется по следующей формуле:
1
f = ———————
2 · pi · (L · C)1/2
Значения частоты получаются в герцах, значения емкости и индуктивности в фарадах и генри. Примеры расчета частоты колебательного контура:
1
f = ——————————————
2 · pi · ((180 · 10-6)· (499 · 10-12))1/2
f = 530 кГц.
1
f = ——————————————
2 · pi · ((180 · 10-6)· (49 · 10-12))1/2
f = 1695 кГц.
Примечание: в Интернете можно найти удобные калькуляторы для расчета параметров колебательного контура, см. [4, 5].
Вы наверное обратили внимание, что в вышеприведенных расчетах индуктивность 180 мкГн подобрана таким образом, что изменением емкости переменного конденсатора от 50 до 500 пФ изменение резонансной частоты охватывает диапазон вещания на средних волнах (СВ или MW). Такие значения индуктивности и емкости были выбраны сознательно, чтобы можно было легче найти конденсатор от какого-нибудь старого лампового радиоприемника. Часто подобный конденсатор состоит из двух секций, максимальная емкость каждой секции составляет 495 пФ.
Теперь нам нужна катушка, её мы изготовим самостоятельно. Это (по крайней мере визуально) самый важный компонент рамочной антенны. Однако рассчитать катушку не так просто. В расчете нужно учитывать как размеры катушки и её геометрию, так и шаг витков. С двадцатых годов 19-го века у нас есть следующие диаграммы, по которым можно примерно рассчитать самые важные характеристики катушки (рисунок из справочника «Tabellen und Formeln fur Radioamateure», von Hans Gunther, Dr.H.Kronke, F.Herkenrath, Frank’sche Verlagsbuchhandlung Stuttgart, 1924).
Примечание: 1 английский фут = 304,8 мм, и 1 дюйм = 25,4 мм. Следовательно, рамка 6 футов высоты с 40 витками и шагом витков 7/16 дюйма получится самым дешевым решением, с фактором эффективности 9.3. Это соответствует высоте рамки 183 см, где 40 витков распределены по рамке с шагом 1.1 см. Антенна такого размера была бы непростой для домашнего изготовления и размещения.
Этот вариант изготовления соответствует оптимальным условиям, базирующимся на качестве катушки и как следствие на качестве колебательного контура. Однако при практической реализации рамочной антенны следует найти компромисс между эффективностью антенны и её возможным геометрическим размером. В приведенном ниже руководстве размеры антенны были уменьшены, чтобы ей можно было проще пользоваться.
[Типы катушек]
На практике можно реализовать несколько вариантов намотки катушки рамочной антенны. Ниже автор [2] дает некоторые готовые варианты катушек, рассчитанные для самой низкой частоты средних волн (531 кГц) и переменного конденсатора 50-500 пФ. В каждом варианте использовалась медная эмалированная проволока диаметром от 1.2 до 1.4 мм, или многожильный высокочастотный литцендрат внешним диаметром от 0.8 до 1.2 мм.
Круглая цилиндрическая катушка, намотанная виток к витку, без зазора между витками:
| Индуктивность, мкГн | 180 | |
| Количество витков | 37 | |
| Длина намотки, мм | 55 | |
| Диаметр витка, мм | 121 | |
| Длина провода, м | 14.1 |
Круглая цилиндрическая катушка, витки которой намотаны с определенным шагом:
| Индуктивность, мкГн | 180 | |
| Количество витков | 16 | |
| Длина намотки, мм | 290 | |
| Диаметр витка, мм | 643 | |
| Шаг намотки, мм | 19 | |
| Зазор между витками, мм | 18 |
Квадратно-призматическая однослойная катушка:
| Индуктивность, мкГн | H | 180 | |
| Количество витков | w | 16 | |
| Сторона квадрата грани призы, мм | s | 569 | |
| Длина диагонали, мм | 2·r | 643 | |
| Шаг намотки, мм | g | 19 | |
| Длина провода, м | l | 14.1 |
Плоская катушка в виде многоугольника:
| Индуктивность, мкГн | H | 180 | |
| Количество витков | w | 16 | |
| Количество сегментов | n | 8 | |
| Средний радиус, мм | r | 334 | |
| Длина намотки возле угла, мм | ls | 300 | |
| Внутренний радиус, мм | ri | 184 | |
| Внешний радиус, мм | ra | 484 | |
| Сторона многоугольника внутри, мм | si | 260 | |
| Сторона многоугольника снаружи, мм | sa | 685 | |
| Длина провода, м | l | 33.6 | |
| Расстояние между витками возле угла, мм | a | 19 | |
| Шаг витков возле угла, мм | geck | 20 |
[Практическое руководство по изготовлению рамочной антенны диапазона СВ от DL3RTL]
Основная идея этого варианта реализации основана на выборе разумного компромисса между качеством приема и используемыми материалами, которые можно легко достать.
Провод и старый конденсатор можно найти на любом радиорынке. Подойдет провод в эмалевой изоляции, но лучше всего использовать многожильный литцендрат в шелковой изоляции. Деревянные планки можно взять от упаковок фруктов или мебели, или их можно купить в строительном магазине.
Вот общий список материалов и компонентов:
| Материал | Количество | Единицы измерения |
| Деревянная рейка | 2 | Примерно 12 см |
| Деревянная подставка | 1 | Примерно 20×20 см |
| Конденсатор переменной емкости с верньером | 1 | Максимальная емкость не менее 500 пФ |
| Коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом | — | Примерно 2 м |
| Железные уголки | 7 | — |
| Шурупы | 28 | — |
| Медный эмалированный провод толщиной 0.5 мм | 20 | Метр |
| Коннектор для кабеля антенны | 1 | Подходящий для 50 Ом входа Вашего приемника |
Схема для изготовления:
Диапазон перекрытия диапазона частот антенны составляет от 510 до 1750 кГц.
Электрические и механические параметры антенны:
| Параметр | Обозначение | Величина |
| Индуктивность, мкГн | H | ~180 |
| Количество витков | w | 11 |
| Расстояние от первого до последнего витка, мм | ls | 110 |
| Шаг витка, мм | gs | 10 |
| Длина стороны внутреннего витка, мм | si | ~520 |
| Длина стороны внешнего витка, мм | sa | ~650 |
| Длина несущей планки, мм | m | 900 |
Пошаговое руководство по изготовлению. Сначала сделайте крест из деревянных полос. Для их фиксации автор использовал посередине четыре металлических уголка (см. фотографии).
После этого в каждой полосе сделайте 12 маленьких пропилов для укладки провода. Пропилы лучше делать под небольшим углом к центру катушки, потому что провод после намотки может слегка ослабнуть и вывалиться из пазов. Положите крест на землю и проденьте в пропиленные пазы провод, чтобы получилось 11 витков в большой катушке. Концы катушки подключите непосредственно к клеммам переменного конденсатора, провод должен спускаться к конденсатору на расстоянии не меньше 10 см от катушки.
Совет: при изготовлении антенны как можно меньше используйте паяные соединения, и тем более не следует облуживать медный провод на больших участках. Дело в том, что высокочастотные токи распространяются в основном по поверхности провода, а припой обладает повышенным сопротивлением, и как следствие добротность катушки и всего контура ухудшится. Лучше всего для соединения проводов делать с помощью специальных клемм и концевых втулок, которые применяются в электрике для монтажа. Перед установкой клеммы нужно убедиться, что эмалированная изоляция с провода снята, чтобы обеспечить надежность контакта.
Резонансный контур готов. Но нам еще нужно подключить коаксиальный кабель для передачи сигнала на вход приемника. Если бы мы подключили вход приемника непосредственно к колебательному контуру, то напряжение на нем резко упало бы, потому что входное сопротивление приемника слишком мало по сравнению с сопротивлением колебательного контура в момент его резонанса. Поэтому нам нужно согласовать вход приемника с колебательным контуром с помощью индуктивной связи. Для этого в центре рамки нужно поместить еще один виток, который будет подключен к коаксиальному кабелю. Получится трансформатор сопротивлений с коэффициентом приблизительно 1/10. Подключите к концам витка связи коаксиальный кабель, другой конец которого будет подключен ко входу приемника.
Возможно Вы обратили внимание, что эта антенна не имеет заземления. Так и должно быть, это очень важный момент. Осталось закрепить крест вертикально на подставке, и антенна готова.
Рамочную антенну можно также изготовить и для других диапазонов радиоволн. Автор изготовил антенну с большим количеством витков, чтобы с помощью перемычек можно было перекрывать диапазон от длинных волн (ДВ, LW) до средних волн (СВ, MW). Существуют магнитные антенны на диапазон коротких волн, например такие антенны применяются для военной аппаратуры связи. Но в любительских условиях изготовить подобную антенну очень сложно.
[Ссылки]
1. DIE RAHMENANTENNE IN THEORIE UND PRAXIS site:fading.de.
2. BAUANLEITUNG EINER RAHMENANTENNE site:fading.de.
3. Литцендрат Википедия site:wikipedia.org.
4. Колебательный контур LC site:tel-spb.ru.
5. Расчёт резонансной частоты колебательного контура.
6. Plastic Fantastic Magnetic Loop Linear actuator drive site:vk4zxi.blogspot.com.
7. The «Hula Loop» Medium Wave DX Antenna site:hard-core-dx.com.
microsin.net
Теория радиоволн: антенны / Habr
Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.
Антенны — преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование — электромагнитную волну, в ВЧ колебания.
Диаграмма направленности — графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.
Антенны
Симметричный вибратор
В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.
Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.
Диаграмма направленности симметричного вибратора
В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.
В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:
Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.
Несимметричный вибратор
Или попросту штыревая антенна, представляет из себя «половину» симметричного вибратора, установленного вертикально.
В качестве длины вибратора, применяют 1, 1/2 или 1/4 длины волны.
Диаграмма направленности следующая:
Представляет собой рассеченную вдоль «восьмерку». За счет того, что вторая половина «восьмерки» поглощается землей, коэффициент направленного действия у несимметричного вибратора в два раза больше, чем у симметричного, за счет того, что вся мощность излучается в более узком направлении.
Основное применение, в диапазонах ДВ, КВ, СВ, активно устанавливаются в качестве антенн на транспорте.
Наклонная V-образная
Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V
Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.
Антенна бегущей волны
Также имеет название — антенна наклонный луч.
Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны. Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.
Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:
Антенна волновой канал
Здесь: 1 — фидер, 2 — рефлектор, 3 — директоры, 4 — активный вибратор.
Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор — активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.
За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:
Рамочная антенна
Направленность — двулепестковая
Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.
Как разновидность — рамочная антенна с рефлектором:
Логопериодическая антенна
Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.
Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 — это довольно высокий коэффициент.
Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
Диаграмма направленности следующая:
Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.
Поляризация
Поляризация — это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.
Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.
Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный — горизонтальную.
Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.
При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.
Все эти факторы факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.
PS:
Данная статья обрисовывает лишь небольшую часть антенн и не претендует на замену учебнику антенно-фидерных устройств.
habr.com
АНТЕННЫ ДЛЯ РАДИОЛЮБИТЕЛЕЙ
АНТЕННЫ ДЛЯ РАДИОЛЮБИТЕЛЕЙГлава 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 I2, 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) / Rn,
где L — индуктивность рамки, C — емкость на конце рамки, Rn — 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 = Ра / Ртх,
где Ра — полная мощность, излучаемая антенной, а Ртх — полная мощность, подводимая к антенне от передатчика.
Очевидно, что КПД антенны никогда не будет выше 100 % и Ра < Ртх. Также очевидно, и что Ртх = Ра + Рп, где Ра – полная мощность, излуча-емая антенной, Рп – мощность потерь.
И в этом случае
КПД = Ра / (Ра + Рп)
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 = Ра / (Ра + Рпк),
где Рпк — 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= Rа / (Rа + Rп),
где Ra – сопротивление излучения антенны, а Rп – сопротивление потерь.
В случае использования магнитных рамок, сопротивление потерь может быть относительно большой величиной. Сопротивление излучения магнитной настроенной рамки примерно равно характеристическому сопротивлению контура Rп = Ö ` L / C
Практически можно определить индуктивность и добротность рамки из соотношений:
Q = w L / Rп и Q = Rи / Rп 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 = Rи ´ К / (Rи + Rк + Rр)
где Rи — расчетное идеальное сопротивление излучения рамки,
Rк — сопротивление потерь в конденсаторе,
Rр — 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.
Н.А. Коганович. Радиооборудование самолетов. Оборониздат М., 1962.
Г.Б. Белоцерковский. Основы радиотехники и антенны. РиС., М., 1983.
Радио N 7, 1989.
Радио N 2, 1990.
Н.Т. Бова, Г.Б. Резников. Антенны и устройства СВЧ. Киев, Высшая школа, 1982.
Н.Н. Федоров. Основы электродинамики. Высшая школа, М., 1980.
Радиолюбитель N 1, 1991.
QST March 1979, Doug De Maw, On Ferrite- Rod Inductors, p. 38.
Радиолюбитель N 5, 1992.
И.Н.Григоров (RK3ZK).
ua9j.narod.ru
Рамочная антенна | ATE-M.BY
Рамочная антенна представляет собой направленную антенну в виде одного или нескольких плоских витков провода, которые образуют рамку. По форме эти рамки бывают круглыми, квадратными и прямоугольными.
В подавляющем большинстве случаев периметр рамки антенны значительно меньше в сравнении с длиной рабочей волны, чем объясняется индуктивный характер входного сопротивления рамочной антенны. Другими словами, это катушка индуктивности со свойством направленного приема.
Подсоединив конденсатор переменной емкости к рамочной антенне, возможно получение колебательного контура, настраиваемого на рабочую волну.
Если размер рамки невелик, то амплитуда и фаза колебаний протекающего в ней тока по всему периметру рамки практически постоянны.
Направленное действие рамочной антенны
Наилучший прием рамочная антенна обеспечивает в отношении волн, направленных вдоль ее плоскости. При этом она совсем не принимает перпендикулярные ее плоскости волны. Путем поворота рамочной антенны можно добиться наилучшей слышимости необходимой станции и избавиться при этом от помех, исходящих от некоторых других станций.
- Расположение рамочной антенны под прямым углом к направлению движения волны:
В данном случае в обеих половинах каждого витка антенны отмечаются две одинаковые, направленные навстречу ЭДС (E1 и E2). Общая ЭДС во всей рамке для данного случая будет равна 0 (нулю):
E1 = E2
Eобщ = E1 – E2 = 0
- Расположение рамочной антенны вдоль движения волны:
В таком случае не будет совпадения значений ЭДС для обеих половинок (E1 и E2). Связано это с тем, что волна до одной из них доходит раньше. Как результат, в рамочной антенне отмечается разностная ЭДС:
E1 ≠ E2
Eобщ = E1 – E2 ≠ 0
Эта разностная ЭДС увеличивается с увеличением размера рамки и числа ее витков, а также с укорочением волны.
Усиление приема
Для направленного действия рамочной антенны характерен резкий минимум приема, при этом максимум получается весьма расплывчатым. Так как обычно рамка по высоте составляет десятые доли метра, то величина ЭДС в ней получается малой.
Для усиления приема производят включение рамки в состав входного (первого) контура приемника, а сам этот приемник настраивается на частоту принимаемых сигналов. Резонанс дает значительное (в десятки раз) усиление напряжения.
Распространение рамочных антенн
Наиболее часто рамочные антенны применяются как приемные антенны радиопеленгаторов и радиоприемников, которые работают в длинно, средне- и коротковолновых диапазонах.
ate-m.by
РАМОЧНАЯ АНТЕННА
Рамочная антенна — это направленная антенна, которая представляет собой один виток или несколько витков провода. Витки образуют рамку определенной формы, это может быть прямоугольная, круглая или квадратная рамка. В плоскости рамки находится максимальная интенсивность как приема, так и излучения волн. Рамочная антенна также носит название миниатюрного магнитного диполя. Применяются рамочные антенны в радиопеленгаторах, где они выполняют функцию приемной антенны. Кроме этого, приемные антенны используются в радиовещательных приемниках, которые работают в коротких, средних и длинных волновых диапазонах.
Рамочную антенну изобрел К. Браун в 1916 г. Ли де Форест, установив одни из первых радиостанций на пяти базах военно-морского флота США, стал заниматься разработкой нескольких видов антенн, среди них и рамочной антенной.
Входное сопротивление в рамочной антенне имеет индуктивный характер за счет того, что длина рабочей волны превосходит периметр ее рамки. Благодаря этому, присоединив конденсатор переменной емкости к рамочной антенне, можно получить колебательный контур. Контур настраивается на необходимую рабочую волну. Фаза и амплитуда колебаний тока являются постоянными по всему периметру, если только размеры рамки достаточно малы. Направление тока противоположно в элементах, противолежащих друг другу в передающей рамочной антенне. Поэтому электромагнитные волны, которые излучают противолежащие элементы, сдвигаются по своей фазе на 180°. В перпендикулярном плоскости рамки направлении получается полная компенсация излучения, в отличие от других направлений, где компенсация оказывается неполной.
Рамочные, или, по-другому, петлевые антенны используются для приема телевизионных программ. Наиболее часто применяются лампы с двумя или гремя элементами, которые носят название двойного или тройного квадрата. Конструкции подобных ламп довольно просты, усиление высокое, а полоса пропускания узкая.
Узкополосные антенны, в отличие от широкополосных антенн, обеспечивают избирательность частоты. За счет этого сигналы от других телевизионных передатчиков не проникают на вход телевизионного приемника, который работает на близких с ними частотных каналах.
Для работы в дециметровом диапазоне в двухэлементных лампах рамки изготовляются из медного или латунного прутика. Диаметр прутика не должен превышать 3—6 мм. Середины двух элементов рамок соединяет верхняя металлическая стрела. Нижняя стрела крепится к текстолитовой пластине, она является изолированной от вибраторной рамки. К той же пластине прикрепляются концы вибраторной рамки с помощью винтиков и гаек.
По сравнению с рамочной антенной с двумя элементами, которая носит название волнового канала, антенна двойной квадрат усиливается на 1,5 дБ, т. е. в несколько раз больше.
В рамочной антенне тройной квадрат находятся три рамки. Рамка директора и рамка рефлектора замкнутые, а рамка вибратора в некоторых точках разомкнута. Расположены рамки симметрично друг другу, поэтому центры их крепятся к обеим стрелам в серединах сторон. Центры рамок располагаются на одной горизонтальной прямой, которая направлена на телецентр. Лучшие результаты работы рамочной антенны достигаются тогда, когда верхняя стрела изготовлена из того же материала, что и рамки, а нижняя стрела выполнена из какого-нибудь изоляционного материала.
Простая конструкция рамочной антенны с тремя элементами состоит из куска толстого провода, работает в дециметровом диапазоне.
Расстояние между несколькими элементами рамочной антенны определяет ее усиление и входное сопротивление.
Рамочные антенны с двумя и тремя элементами тщательно направляются и ориентируются из-за того, что главный лепесток диаграммы направленности довольно узок. Настраивают рамочные антенны с помощью шлейфа, который подключен к рефлектору. Для настройки измеряется длина шлейфа, которая в идеале должна быть на 4% больше, чем длина вибратора антенны.
Если переходить от лампы двойного квадрата, в состав которой входят рефлектор и вибратор, к антенне с гремя элементами, то этот переход приведет к выигрышному усилению на 1,7 дБ.
Э. Тафро сконструировал несколько антенн, основывающихся на проволочной рамке прямоугольной формы. Соотношение сторон в рамочной антенне равнялось 1:3. Подобные рамочные антенны обладают преимуществом в небольшой подвесной высоте, которая выполняется при вертикальном расположении короткой стороны. Для большего эффекта антенну дополняют активной рамкой или рамочными директорами.
Четырехэлементная рамочная антенна с указанным соотношением сторон была построена и поставлена на определенной высоте — 40 м. В ходе экспериментальных работ антенну сравнили с трехэлементной полноразмерной антенной. В 90 случаях из 100 антенна с четырьмя элементами показывала лучшие результаты, чем полноразмерная антенна.
- Предыдущее: РАКООБРАЗНЫЕ
- Следующее: РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЙ ВАЛ
- Категория: Промышленность на Р
enciklopediya-tehniki.ru