Передающие магнитные рамочные антенны

главная\р.л. конструкции\антенны\...

Передающие магнитные рамочные антенны

Магнитные рамочные антенны являются одним из интереснейших типов малогабаритных радиолюбительских антенн. Магнитные рамочные антенны впервые были использованы армией США в качестве передающих в 1967 году во вьетнамской войне. После этого магнитные рамки прочно заняли свое место среди малогабаритных антенн других типов, используемых радиолюбителями и профессионалами. Магнитные рамочные антенны часто являются единственным типом передающих антенн, которые могут быть установлены в ограниченном пространстве города. Во многих случаях магнитные рамки могут обеспечить более эффективную работу в эфире по сравнению с другими типами укороченных и суррогатных антенн.

Несмотря на то, что во всем мире магнитные рамки стали широко использовать сразу после их появления, в СССР эти антенны долгое время находились под негласным запретом. Как же, это же были антенны американских агрессоров, магнитные рамки позволяли работать скрытно из города радиохулиганам, и что было особенно нехорошо, по рукам ходили схемы магнитных рамок, при помощи которых можно было хоть как избавиться от журчания и воя глушилок «Голоса Америки» и других западных радиостанций. В конце 80, в связи с перестройкой, запрет на печать материалов по магнитным рамкам был снят, и в советской радиолюбительской литературе появились публикации о магнитных рамках…

В этой статье будут рассмотрены основы теории работы передающих магнитных рамочных антенн. В заключение будут приведены некоторые практические конструкции магнитных рамочных антенн, подходящие к установке в городских условиях.

Магнитные рамочные антенны

Теории работы магнитной рамочной антенны посвящено множество различных публикаций в радиолюбительской литературе. Классической публикацией, рассматривающей многие стороны работы магнитной рамки, конечно, является книга [1], написанная Ted Hart, W5QJR. В отечественной литературе магнитная рамочная антенна была описана в литературе [2]. Радиолюбителям, желающим более подробно изучить работу магнитных рамочных антенн, рекомендую обратиться к изданию [1],

Для радиолюбителей, интересующихся промышленными магнитными рамочными антеннами, приведем название некоторых фирм, производящих этот тип антенн. Пионером, который начал производство магнитных рамочных антенн для радиолюбителей, является Cristian Kaferlin, DK5CZ, Germany. Им до сих пор производится знаменитая серия магнитных антенн под фирменным названием «АМА», аббревиатура от Abstimmbare Magnetische Antenna, или, в переводе на русский, «настраиваемая магнитная антенна». Вид и технические характеристики антенн типа АМА представлены на вебсайте [3]. Магнитные антенны DK5CZ имели настолько удачную конструкцию и высокие эксплуатационные параметры, что стали основой для копирования другими радиолюбителями, и даже другими коммерческими фирмами. Так что описания магнитных антенн, которые являются практически полными близнецами антенн серии АМА, можно найти во многой радиолюбительской литературе. Магнитные антенны, несколько отличающиеся по конструкции от антенн серии АМА, производятся Ciro Mazzoni, Italy. Вид и описание этих антенн можно найти на его вебсайте [4]. В США магнитные антенны производятся по настоящее время фирмой MFJ, под названием «Super High – Q Loop». Ранее в США фирма AEA выпускала магнитные антенны под торговой маркой «Isoloop».

Ниже мы рассмотрим упрощенную теорию магнитных рамочных антенн, которая будет нужна радиолюбителю для понимания работы этого типа удивительных антенн.

Что такое магнитная рамка

Магнитная рамочная антенна имеет вид петли из проводника, которая подключена к конденсатору переменной емкости. Периметр петли обычно находится в пределах от 0,03λ до 0,25λ. Петля может иметь любую форму, наиболее распространена петля, выполненная в форме круга, как это и показано на рис. 1. Антенна, имеющая форму круга, считается классической магнитной рамочной антенной. Именно магнитные антенны, имеющие круглую форму петли, производят фирмы, специализирующиеся на выпуске магнитных антенн для радиолюбителей.

Классическая рамочная магнитная антенна

Для практического выполнения магнитной рамочной антенны, предназначенной для работы на конкретном диапазоне волн, радиолюбителю необходимо знать периметр петли, диаметр провода, из которого выполнена петля, емкость конденсатора и способ подключения фидера к рамке. Для того, чтобы разобраться какой вклад в работу магнитной рамочной антенны вносит каждый из этих параметров, перейдем к рассмотрению эквивалентной схемы антенны.

Элементы эквивалентной схемы магнитной рамки

Эквивалентная схема магнитной рамочной антенны показана на рис. 2. Как видно из этой схемы, магнитную рамочную антенну можно представить в виде параллельно включенных конденсатора и катушки, последовательно с которыми включены два сопротивления, одно из них, сопротивление потерь Rпот, а второе, сопротивление излучения Rизл и генератор G, который возбуждает эту антенну. Рассмотрим более подробно физическую эквивалентность и значения этих компонентов в работе магнитной антенны.

Эквивалентная схема магнитной рамочной антенны

Переменный конденсатор C из эквивалентной схемы соответствует физическому переменному конденсатору магнитной антенны, показанной на рис. 1. Катушка индуктивности L из эквивалентной схемы соответствует индуктивности петли проводника, составляющего магнитную антенну. Как видите, можно руками потрогать на реальной магнитной рамке эти составляющие эквивалентной схемы, при помощи простых приборов мы можем измерить их реальные значения.

Для работы магнитной рамочной антенны на передачу этот параллельный контур настраивают в резонанс на рабочую частоту антенны. Как известно, в этом случае реактивные сопротивления переменного конденсатора C и катушки индуктивности L равны по величине сопротивления, но противоположны по знаку. То есть, на резонансной частоте антенны сумма этих сопротивлений равна нулю, и к генератору G, возбуждающего антенну, остаются подключенными только сопротивление потерь Rпот и сопротивление излучения Rизл.

Сопротивление потерь Rпот и сопротивление излучения Rизл не могут быть так просто представлены их физическими эквивалентами, их нельзя потрогать руками как это было с переменным конденсатором и катушкой индуктивности. Для реальной магнитной рамки эти величины, в общем случае, рассчитываются теоретически или определяются практически на основании некоторых специфических измерений параметров работы передающей рамки. Однако сопротивление потерь и сопротивление излучения имеют вполне определенный физический смысл, и часто используются для описания параметров магнитных рамочных антенн. Рассмотрим более подробно, что же собой представляют эти величины.

Сопротивление излучения и сопротивление потерь антенны

Допустим, что генератор G (см. рис. 2), который включен в магнитную рамку, идеально согласован с этой антенной и отдает в нее некоторую определенную мощность. Во многих случаях не представляет труда определить, какая мощность поступает от генератора в нагрузку, в данном случае в магнитную рамку.

Однако, не вся мощность, которая отдается генератором в антенну, излучается в эфир. Некоторая часть мощности генератора Pпот безвозвратно теряется виде тепловых потерь в металлических и диэлектрических частях антенны, в окружающих антенну предметах, в земле. Через эту, теряемую мощность, и выражают сопротивление потерь антенны.

Rпот = Pпот/I2

где I- действующее значение тока в антенне.

Итак, можно сказать, что сопротивление потерь антенны формально представляет собой коэффициент, зная который можно определить мощность потерь в антенне по обычной формуле электротехники: Pпот= I2Rпот.

Та часть мощности, которая не рассеялась в тепло на сопротивлении потерь в рамке, все же излучается в эфир. На основе некоторых специфических измерений можно определить эту излученную мощность Pизл. Вот через эту, излучаемую в эфир мощность, и выражают через сопротивление излучения антенны.

Rизл = Pизл/I2

где I- действующее значение тока в антенне.

Итак, можно сказать, что сопротивление излучения антенны формально представляет собой коэффициент, зная который можно определить мощность излучения антенны по обычной формуле электротехники: Pизл= I2Rизл. Такоеопределение сопротивления излучения антенны приведено в литературе [5], и оно, на мой взгляд, наиболее верно выражает суть Rизл. Понятие «сопротивление излучения» было введено М. В. Шулейкиным (1884- 1939), выдающимся советским исследователем антенн и распространения радиоволн.

Заметим, что приведенные выше формулы справедливы для проволочных антенн с равномерным распределением тока в полотне антенны, каковыми и являются магнитные рамки.

Коэффициент полезного действия магнитной рамки

Итак, в нашей эквивалентной схеме, показанной на рис. 2, к генератору подключено последовательно два сопротивления, на одном из них мощность генератора теряется, а на другом выделяется мощность, идущая на излучение в эфир. Руководствуясь этой схемой, можно найти коэффициент полезного действия антенны. КПД, через сопротивление потерь и сопротивление излучения антенны выражается как:

КПД= (Rизл/(Rизл + Rпот))*100%

Значения сопротивление потерь и сопротивление излучения антенны зависят от размеров антенны, от ее размещения в пространстве, от материалов, используемых для конструкции антенны. В радиолюбительских условиях точно определить эти величины экспериментальным путем достаточно сложно, так, как для этого необходимо проделать множество специфических измерений и использовать специальное дорогостоящее измерительное оборудование. Однако, сопротивление потерь и сопротивление излучения магнитных рамок вполне можно определить при помощи программ расчета антенн.

Программы расчета антенн в моделировании магнитных рамок

В настоящее время радиолюбитель имеет возможность использовать компьютерные программы расчета антенн для моделирования магнитных рамок. Эти программы могут определить сопротивление потерь и сопротивление излучения, нарисовать диаграмму направленности магнитной рамки, рассчитать емкость конденсатора, необходимую для настройки рамки на определенную частоту работы антенны.

Мной были проделаны расчеты магнитных рамочных антенн с использованием таких известных и надежных программ как MMANA (на основе MININEC) и NECWin Plus (на основе NEC-2), а затем полученные результаты были сравнены с теми, что выдали упрощенные специализированные программы, предназначенных для расчета магнитных рамок. Это программа Magnetic Loop Antenna Calculator v.1.6, KI6GD, и Magloop4, G4FGQ. Программа KI6GD позволяет произвести расчет параметров магнитной рамки в свободном пространстве, а программа G4FGQ позволяет произвести расчет параметров магнитной рамки расположенной на заданной высоте от земли, причем параметры земли можно задать.

Было выяснено, что все эти программы для рамок, расположенных в свободном пространстве выдают примерно одинаковые значения сопротивления потерь и сопротивления излучения. Данные по емкости конденсатора все программы выдают несколько отличающиеся друг от друга, но это в данном случае не столь существенно, так, как при конструировании реальной магнитной рамочной антенны емкость конденсатора все равно нуждается в подстройке, и не равна точно емкости, рассчитанной программно. При расчете различными программами параметров рамочных антенн, расположенных над землей, их параметры, уже начинали заметно отличаться друг от друга, однако, это отличие было не настолько большим, и для радиолюбительской практики для расчета магнитных рамок можно использовать любую их этих программ.

Программа расчета антенн на основе MININEC (в данном случае MMANA) имеет некоторые проблемы при расчете антенн, расположенных над реальной землей, хотя хорошо обсчитывает антенны, расположенные в свободном пространстве и над идеальной проводящей поверхностью. При закладке моделей магнитных рамочных антенн в MMANA и NECWin следует учитывать ограничения, предполагаемые этими программами.

Параметры магнитных рамочных антенн

При помощи программы KI6GD, MagneticLoopAntennaCalculatorv.1.6, мной были вычислены параметры магнитных рамочных антенн для работы на любительских диапазонах 80- 10 метров, выполненных на основе стандартных спортивных алюминиевых обручей диаметром 77 сантиметров и 100 сантиметров и диаметром трубки 17 миллиметров. Эти обручи можно недорого приобрести в магазинах спортивных товаров. Параметры рамок сведены в таблицы, которые могут быть полезны при конструировании магнитных рамочных антенн на основе стандартных спортивных обручей. Табл. 1 показывает параметры магнитной рамочной антенны выполненной на обруче диаметром 77 сантиметров, а табл. 2 показывает параметры магнитной рамочной антенны, выполненной на обруче диаметром 100 сантиметров.

Таблица 1 Данные магнитной рамки выполненной на алюминиевом обруче диаметром 77 сантиметров

Частота настройки рамки, МГц

 

3.6

 

7.03

 

10.1

 

14.06

 

18.1

 

21.1

 

25.0

 

28.5

Полоса пропускания, кГц

8.1

11.6

14.8

20.7

31

43.1

67.5

100.8

Емкость конденсатора, пФ

849

217

101

48.6

26.3

17.4

10.2

6.1

Напряжение на конденсаторе(при мощности подводимой к рамке 5 ватт), V

 

300

 

600

 

700

 

800

 

900

 

900

 

800

 

800

Длина рамки, λ

0.031

0.06

0.086

0.119

0.153

0.179

0.212

0.241

КПД рамки, %

0.2

2.5

8.3

22.4

41

54.4

68.3

77.3

Индуктивное сопротивление рамки, Ом

 

51.6

 

100.8

 

145

 

201.6

 

259

 

302.5

 

358

 

408.5

Добротность антенны, Qres

442

604

681

680

585

489.5

370

282

Сопротивление излучения,
Ом

 

0.00

 

.0002

 

0.009

 

0.033

 

0.091

 

0.168

 

0.331

 

0.558

Сопротивление потерь, Ом

0.058

0.081

0.098

0.115

0.131

0.141

0.153

0.164

*Индуктивность рамки равна 2,282 мкГн

Таблица 2 Данные магнитной рамки выполненной на алюминиевом обруче диаметром 100 сантиметров

Частота настройки рамки, МГц

3.6

7.03

10.1

14.06

18.1

21.1

25.0

Полоса пропускания, кГц

8.4

12.4

16.8

27.1

47.5

73.3

125.6

Емкость конденсатора, пФ

671

169

77.3

36.4

17.7

10.6

4,9

Capacitor
Напряжение на конденсаторе(при мощности подводимой к рамке 5 ватт), V

 

400

 

600

 

700

 

800

 

800

 

700

 

700

Длина рамки, λ

0.04

0.077

0.111

0.155

0.199

0.232

0,275

КПД рамки, %

0.5

5.3

16.5

38.7

61

72.3

82.5

Индуктивное сопротивление рамки, Ом

64.9

126.8

182.2

253.6

326.4

380.6

450,9

Добротность антенны, Qres

427

568

600

520

381

287

197

Сопротивление излучения,
Ом

 

0.00

 

.0006

 

0.025

 

0.094

 

0.259

 

0.478

 

0,942

Сопротивление потерь, Ом

0.076

0.106

0.127

0.149

0.17

0.183

0,199

*Индуктивность рамки равна 2,287 мкГн

Параметры магнитных антенн в табличном представлении выглядят не очень наглядно, поэтому на основе табл. 1 были построены следующие графики, помогающие лучше представить поведение магнитной рамочной антенны:

- график добротности и КПД антенны в зависимости от периметра рамки (рис. 3); - график сопротивления излучения, сопротивления потерь и емкости конденсатора рамки в зависимости от периметра рамки (рис. 4).

График добротности и КПД антенны в зависимости от периметра рамки

График сопротивления излучения, сопротивления потерь и емкости конденсатора рамки в зависимости от периметра рамки

Графики, приведенные на рис. 3, очень наглядно иллюстрируют физику работы магнитной рамочной антенны. Посмотрим сначала на график добротности антенны, который может нам много сказать о ее работе. С увеличением частоты работы антенны ее добротность растет, а затем начинает уменьшаться. В нашем случае это произошло при достижении длины антенны 0,1λ. И в тоже время, с уменьшением добротности антенны, начинает расти КПД ее работы. Обратимся к эквивалентной схеме антенны, что бы понять, почему это происходит.

Эквивалентная схема антенны состоит из последовательно включенных катушки, конденсатора и сопротивления потерь и сопротивления излучения (см. рис. 2). С увеличением частоты настройки антенны емкость конденсатора уменьшается, а индуктивность остается прежней. В этом случае возрастает характеристическое сопротивление контура Zх, которое равно:

Zx= √(L/C).

Добротность магнитной рамочной антенны Q равна:

Q= Zx/(Rпот + Rизл).

Следовательно, первоначальный рост добротности магнитной антенны можно объяснить большим ростом ее характеристического сопротивления и в тоже время малым ростом сопротивления потерь и сопротивления излучения антенны.

График сопротивление излучения магнитной рамочной антенны и сопротивление потерь в ней показан на рис. 4. Из этого рисунка видно, что после периметра петли антенны равной примерно 0,111λ сопротивление излучения антенны начинает резко возрастать. В тоже время, график сопротивления потерь антенны носит монотонный характер. Следовательно, если рост сопротивления излучения антенны значительно превысит рост сопротивления потерь, добротность антенны будет падать, а мощность, подводимая к антенне, будет в основном рассеиваться на сопротивлении излучения, или попросту говоря, излучаться в эфир. Это очень важный вывод для понятия работы магнитных рамочных антенн.

Каждая качественно выполненная магнитная рамка имеет свой критический периметр, после которого рост сопротивление излучения происходит стремительнее роста сопротивления потерь в ней. В нашем случае этот критический периметр для рамки, выполненной из алюминиевой трубы диаметром 17 миллиметров и длиной 77 сантиметров, оказался равным 0,111λ, или частота 12,5-МГц. Сопротивление излучения магнитной рамки периметром 0,111λ равно 0,025 Ом. Следовательно, для нашей конкретной рамки мы получим значительный рост КПД магнитной рамочной антенны после роста ее периметра для используемых длин волн более 0,1λ. Конечно, для городских условий работы желательно иметь рамку как можно меньшего размера, чтобы критический периметр рамки был меньше 0,1λ. Этого можно достигнуть выбрав соответствующим образом материал для изготовления магнитной рамочной антенны и использовав в ее конструкции переменный конденсатор с высокими параметрами.

Если для практического выполнения магнитной рамочной антенны использовать тонкий провод и низкодобротный конденсатор, то мы сделаем только эквивалент нагрузки антенны. Высокочастотная мощность, поступающая от передатчика в такую антенну, будет греть провод антенны, пластины и диэлектрик переменного конденсатора, а не излучаться в эфир. Для иллюстрации этого примера были рассчитаны параметры высокодобротной магнитной рамочной антенны, выполненной на обруче диаметром 77 сантиметров и толщиной 17 миллиметров, но выполненного из меди. Как известно, медь имеет проводимость почти в два раза более высокую по сравнению с алюминием. В противовес высокодобротной антенне были рассчитаны параметры низкодобротной магнитной рамочной антенны, имеющей диаметр 77 сантиметров, но выполненной медным проводом диаметром 1 миллиметр. Табл. 3 показывает параметры магнитной антенны, выполненной из медной трубки, а табл. 4 показывает параметры магнитной антенны, выполненной из медного провода диаметром 1 миллиметр. Сравните табл. 3 и 4 с табл. 1, где рассчитаны параметры магнитной антенны выполненной на основе алюминиевого обруча.

Таблица 3 Данные магнитной рамки выполненной на медном обруче диаметром 77 сантиметров, толщина обруча 17 миллиметров

Частота настройки рамки, МГц

 

3.6

 

7.03

 

10.1

 

14.06

 

18.1

 

21.1

 

25.0

 

28.5

Полоса пропускания, кГц

3.1

4.7

6.4

10.8

19.7

31.1

54.4

86.7

Емкость конденсатора, пФ

849

217

101

48.6

26.3

17.4

10.2

6.1

Напряжение на конденсаторе(при мощности подводимой к рамке 5 ватт), V

 

500

 

900

 

1100

 

1100

 

1100

 

1000

 

900

 

800

Длина рамки, λ

0.031

0.06

0.086

0.119

0.153

0.179

0.212

0.241

КПД рамки, %

0.6

6.2

18.5

42.8

64.4

75.6

84.9

89.9

Индуктивное сопротивление рамки, Ом

 

51.6

 

100.8

 

145

 

201.6

 

259

 

302.5

 

358

 

408.5

Добротность антенны, Qres

1144

1510

1565

1303

919

681

460

328

Сопротивление излучения,
Ом

 

0.00

 

.0002

 

0.009

 

0.033

 

0.091

 

0.168

 

0.331

 

0.558

Сопротивление потерь, Ом

0.022

0.031

0.037

0.044

005

0.054

0.059

0.063

*Индуктивность рамки равна 2,282 мкГн

Таблица 4 Данные магнитной рамки диаметром 77 сантиметров выполненной из провода диаметром 1 миллиметр

Частота настройки рамки, МГц

 

3.6

 

7.03

 

10.1

 

14.06

 

18.1

 

21.1

 

25.0

 

28.5

Полоса пропускания, кГц

30

43

52

63.4

76.3

88

107

131.6

Емкость конденсатора, пФ

488

122

55

25

12

6.9

2.7

0.6

Напряжение на конденсаторе(при мощности подводимой к рамке 5 ватт), V

 

200

 

400

 

500

 

600

 

700

 

800

 

800

 

800

Длина рамки, λ

0.031

0.06

0.086

0.119

0.153

0.179

0.212

0.241

КПД рамки, %

0.0

0.4

1.4

4.2

9.6

15.4

24.8

34.3

Индуктивное сопротивление рамки, Ом

 

89.2

 

174

 

250

 

348

 

448

 

522

 

619

 

705

Добротность антенны, Qres

117

163

193

221

237

239

232

216

Сопротивление излучения,
Ом

 

0.00

 

.0002

 

0.009

 

0.033

 

0.091

 

0.168

 

0.331

 

0.558

Сопротивление потерь, Ом

0.381

0.532

0.638

0.752

0.853

0.922

1.033

1.071

*Индуктивность рамки равно 3,92 мкГн

Рис. 5 показывает график добротности и КПД антенны выполненной из медной трубки в зависимости от периметра рамки выраженного в относительно длины волны λ. Использование медной трубки вместо алюминиевой приводит к значительному улучшению работы магнитной рамки. Уже при длине периметра рамки 0,086λ, или начиная с частоты 10-МГц, КПД антенны резко растет, а добротность антенны падает. Это говорит о том, что начиная с периметра рамки 0,086λ рост сопротивления излучения антенны значительно опережает рост потерь. КПД медной антенны примерно на 20 процентов больше чем КПД антенны сделанной из алюминиевой трубки.

График добротности и КПД магнитной антенны из медной трубки в зависимости от периметра рамки.

Рис. 6 показывает график добротности и КПД антенны выполненной из медного провода диаметром 1 миллиметр в зависимости от периметра рамки выраженного в относительно длины волны λ. Использование тонкого медного провода вместо медной или алюминиевой трубки приводит к значительному ухудшению работы магнитной рамки. Индуктивность рамки антенны выполненной из провода диаметром 1 миллиметр равна 3,92-мкГн, что выше индуктивности полотна антенны выполненного из трубки, которая составляет 2,282-мкГн. Повышение индуктивности рамки приводит к тому, что для настройки антенны на высокочастотные диапазоны требуется конденсатор гораздо меньшей емкости, по сравнению с антенной, выполненной из трубки. Это ведет к тому, что для частот выше 25-МГц эта рамка не может быть практически реализована. КПД антенны начинает медленно расти только после частоты 21-МГц. Это говорит о том, что, начиная с длины периметра рамки 0,18λ, рост сопротивления излучения антенны начинает немного опережать рост потерь в магнитной антенне. Однако, как было указано выше, для частот более 25-МГц эта рамка вряд ли может быть практически реализована.

График добротности и КПД магнитной антенны из провода диаметром 1 миллиметр в зависимости от периметра рамки.

Следовательно, проволочная магнитная рамочная антенна сможет обеспечить удовлетворительную работу только на одном диапазоне 25-МГц. Магнитная рамочная антенна идентичного диаметра, но выполненная из медной трубки диаметром 17 миллиметров сможет обеспечить удовлетворительную работу на диапазоне 30 метров, хорошую работу на диапазонах 20-17 метров и отличную на диапазонах 15- 10 метров.

В приведенных выше примерах было предположено, что добротность конденсатора составляет не менее 1000, что в общем то типично для большинства типов переменных конденсаторов с воздушным диэлектриком. Использование конденсатора с меньшей добротностью приведет к тому, что КПД магнитной рамочной резко упадет. Это можно легко посмотреть на моделях магнитных антенн в программе MMANA. Практика тоже дает подтверждение этому. В моих экспериментах с магнитными антеннами мной было замечено, что прижимные контакты некоторых низкодобротных конденсаторов буквально светятся в темноте от множества микроскопических искр. Естественно, что работа рамочной антенны с таким конденсатором «пожирателем» высокочастотной энергии будет неудовлетворительной.

Форма магнитных рамочных антенн

Программы моделирования магнитных рамочных антенн показывают, что наибольшим усилением, при одинаковом периметре, обладает магнитная рамка в форме круга. Это и понятно, так, как круг охватывает наибольшую площадь по сравнению с другими фигурами.

Однако, в некоторых случаях по конструктивным соображениям удобно выполнять магнитную рамку в форме других фигур, например, равностороннего треугольника, квадрата, восьмиугольника. Если выполнение такой магнитной рамки удобно для радиолюбителя, то его конечно можно использовать, примирившись с незначительной потерей усиления.

Одновитковая или многовитковая рамка

Выше была описана работа одновитковых рамок. Радиолюбительские специализированные программы для магнитных рамок (MagneticLoopAntennaCalculatorv.1.6, KI6GD, и Magloop4, G4FGQ) тоже позволяют рассчитывать только одновитковые рамки. Одновитковые рамки вполне применимы для работы на высокочастотных диапазонах. Но радиолюбители стремятся использовать магнитные рамки и для работы на низкочастотных диапазонах, где их критический периметр уже может достигать значительной величины. То есть, такие рамки будут неудобными в установке. Закономерен вопрос, возможно ли в целях уменьшения места для установки антенны использовать многовитковые магнитные рамочные антенны для работы на низкочастотных диапазонах, а если возможно, то целесообразно ли это?

Программа MMANA дала ответ на этот вопрос. С использованием этой программы были рассчитаны параметры 1, 2, 3 и 4 витковой магнитной рамочной антенны со стороной 1,2 метра выполненной из медного провода диаметром 0,8 миллиметра и настроенной на частоту 3,8-МГц любительского диапазона 75 метров. Расстояние между витками было равно 2 сантиметра. Затем были рассчитаны параметры одновитковых рамок имеющих периметр, одинаковый с периметром многовитковых рамок. Добротность конденсатора настройки было выставлена равной бесконечности и 1000. Во время расчета было принято, что эти антенны расположены в свободном пространстве. Для расчета параметров 3 и 4 витковой магнитной рамочной антенны были использованы файлы антенн, составленные И. Гончаренко, DL2KQ- EU1TT, и находящиеся на его сайте [6]. Файлы для 1 и 2 витковой рамочной антенны были составлены мной. Результаты расчетов сведены в табл. 5.

Таблица 5 Сравнительные параметры рамочных антенн

Периметр рамки, м

Описание рамки/ вид рамки

Емкость конденсатора для настройки на частоту 3,8-МГц, пФ

Усиление антенны, dBi, *

Выигрыш одновитковой рамки по сравнению с многовитковой, dB, **

Снижение усиления в антенне с реальным конденсатором, dB

4,8

1 виток, квадрат со сторонами 1,2 метра

390

-22,0 / -23,7

-

-1,7

9,6

2 витка, квадрат со сторонами 1,2 метра

81

-20,5 /-22,0

7 / 7,8

-1,5

1 виток, квадрат со сторонами 2,4 метра

120

-13,5/-14,7

-1,2

14,4

3 витка, квадрат со сторонами 1,2 метра

18,7

-18,8 /-20,15

10 / 10,6

- 1,35

1 виток, квадрат со сторонами 3,6 метра

75

-8,8/-9,9

-1,1

19,2

4 витка, квадрат со сторонами 1,2 метра

14,5

-17,25/-18,4

11,85/12,1

- 1.15

1 виток, квадрат со сторонами 4,8 метра

50

-5,4/-6,3

-0,9

* Числитель показывает усиление рамки с конденсатором с бесконечной добротностью, знаменатель показывает усиление рамки при использовании в ней конденсатора с добротностью равной 1000.

** В числителе показан выигрыш усиления при использовании в магнитной рамки конденсатора с бесконечной добротностью а в знаменателе показан выигрыш усиления при использовании в магнитной рамки конденсатора с добротностью равной 1000.

Как видно из этой таблицы, увеличение числа витков рамочной антенны дает проигрыш в 7,8-dB для рамки из двух витков, или по шкале S- метра трансивера это немного больше 1 балла. При хорошем прохождении этот проигрыш в усилении будет малозаметен. Для рамки из трех витков проигрыш составляет 10-dB или по шкале S- метра трансивера это чуть больше 1,5 балла. И для этой рамки при хорошем прохождении проигрыш в усилении тоже будет малозаметен. Однако для рамки из четырех витков проигрыш в усилении составляет уже 12-dB, или 2 балла по шкале S- метра трансивера. А это уже может сказаться на работе в эфире. Обратите внимание, что чем длиннее рамка, тем меньше влияет добротность конденсатора на ее работу. Это связано во первых с увеличением потерь в полотне антенны, а во вторых, с ростом сопротивления излучения антенны.

Практическая конструкция многовитковой рамки сложнее, чем одновитковой. По некоторым причинам, согласование многовитковой магнитной рамочной антенны с коаксиальным кабелем сопряжено с большими сложностями, чем одновитковой, что еще более уменьшает эффективность использования многовитковых рамочных антенн. Справедливости ради необходимо отметить, что при увеличении расстояния между витками многовитковой рамочной антенны происходит небольшое увеличение усиления этой антенны, однако, возрастают сложности при ее практическом изготовлении. Увеличится усиление рамки при использовании в ее конструкции провода большого диаметра. Но все же, несмотря на недостатки многовитковых рамок, при дефиците места, они вполне могут быть использованы. мой взгляд, сложности, возникающие при изготовлении и установке многовитковых рамочных антенн, превышают преимущества в выигрыше места, которые эти антенны могут дать. Поэтому в этой статье многовитковые рамочные антенны рассматриваться не будут.

Конденсаторы магнитной рамочной антенны

Итак, работа магнитной рамочной антенны значительно зависит от используемого для ее построения материала. В конструкции антенны необходимо использовать переменные конденсаторы, имеющие высокую добротность. Это вакуумные конденсаторы и конденсаторы, не имеющие прижимных и скользящих контактов, например, типа «бабочка». Для работы магнитной рамки на небольших мощностях можно использовать двухсекционный конденсатор, в котором к рамке подключены только статорные (неподвижные) пластины. Не следует применять конденсаторы с твердым диэлектриком из-за их низкой добротности, которая к тому же начинает резко падать с увеличением высокочастотного напряжения на керамическом конденсаторе.

При расчете параметров рамки, в которой используется качественный воздушный конденсатор, можно принять, что он имеет добротность равную 1000. Если переменный конденсатор имеет плохие контакты ротора и окисленные пластины, то его добротность будет уже гораздо ниже 1000. Если с плохими контактами ротора в спаренном конденсаторе переменной емкости можно бороться, подключив к рамке только статорные секции, то с окислом на пластинах уже ничего поделать нельзя. В этом случае возможно использование самодельных переменных конденсаторов с воздушным диэлектриком. Среди радиолюбителей распространены самодельные конденсаторы тромбонного типа, дисковые конденсаторы и конденсаторы типа «бабочка». Рассмотрим упрощенную конструкцию каждого их этих типов конденсаторов.

Конденсаторы тромбонного типа наиболее сложны в механическом выполнении, но и они могут быть изготовлены в любительских условиях. В конденсаторах тромбонного типа в медную отполированную внутри трубку входит другая трубка, меньшего диаметра. Емкость между этими трубками и составляет емкость тромбонного конденсатора. Для ухода от трущихся или прижимных контактов, как правило, используют бесконтактные тромбонные конденсаторы. Рис. 7 показывает упрощенную конструкцию бесконтактного тромбонного конденсатора. Для этого к концам магнитной антенны 1 припаивают две трубки большого диаметра 2. Трубка меньшего диаметра 3 сгибается буквой П, устанавливается на диэлектрическую площадку 4 и перемещается по винту 5 относительно трубки большего диаметра. В результате этого происходит увеличение или уменьшение емкости тромбонного конденсатора. Конденсаторы тромбонного типа, в зависимости от их конструкции, могут обеспечить емкость до 100 пикофарад и точную настройку конденсатора на необходимую емкость, что обеспечит работу магнитной рамочной антенны в нескольких соседних любительских диапазонах. Недостатком тромбонного конденсатора является сложность его изготовления.

Упрощенная конструкция тромбонного конденсатора

Конденсаторы дискового типа являются очень простыми по конструкции и легко могут быть выполнены радиолюбителем, обладающим небольшим опытом в механических работах. В конденсаторах дискового типа один диск перемещается относительно другого. Емкость этих дисков друг относительно друга составляет емкость дискового конденсатора. Рис. 8 показывает упрощенную конструкцию дискового конденсатора. Для изготовления дискового конденсатора к концам магнитной рамочной антенны 1 припаивают неподвижный диск 2. Подвижный диск 3, одинаковый по размерам с неподвижным диском, перемещается относительно неподвижного диска при помощи винта 4 и гайки 5, припаянной к другому концу магнитной антенны. Пружина 6 между подвижным диском и гайкой 5 служит для улучшения электрического контакта подвижного диска и магнитной антенны. Конденсаторы дискового типа, в зависимости от величины дисков, могут обеспечить емкость до 50 и более пикофарад и точную настройку конденсатора на необходимую емкость, что обеспечит работу магнитной рамочной антенны в нескольких соседних любительских диапазонах. Недостатком дискового конденсатора является наличие трущегося контакта, что может служить причиной увеличения сопротивления потерь в магнитной рамочной антенне.

Упрощенная конструкция дискового конденсатора

Для устранения трущегося контакта используют конденсаторы типа «бабочка». Рис. 9 показывает упрощенную конструкцию радиолюбительского конденсатора типа «бабочка». В конденсаторах типа «бабочка» используются две неподвижные пластины, относительно которых перемещается одна подвижная пластина, своим видом напоминающая крылья бабочки, откуда и пошло это название. Емкость неподвижных пластин на подвижную образуют емкость этого конденсатора. Для изготовления самодельного конденсатора типа «бабочка», берется плата из толстого фольгированного стеклотекстолита 1, на ней печатным методом изготавливают пластины конденсатора 2, эти пластины припаивают к магнитной антенне 3. Ротор 4 может быть изготовлен из фольгированного стеклотекстолита или из медной пластины. Ротор устанавливают на ось 5. Конденсаторы типа «бабочка», в зависимости от величины пластин и зазора между ними, могут обеспечить емкость до 50 и более пикофарад и точную настройку конденсатора на необходимую емкость, что обеспечит работу магнитной рамочной антенны в нескольких соседних любительских диапазонах. Недостатком этого типа конденсатора являются его относительно большие размеры и сложность изготовления.

Упрощенная конструкция дискового конденсатора типа «бабочка»

При установке магнитной рамочной антенны следует обратить внимание на то, что бы паразитная емкость конденсатора настройки на землю или другие посторонние предметы была минимальной.

Полотно магнитной рамочной антенны

Для того, чтобы магнитная рамочная антенна работала с высоким КПД, величина сопротивления потерь в полотне магнитной антенны должна быть сравнима или меньше чем сопротивление излучения антенны. Обычно такое возможно только для магнитных антенн выполненных из медных полированных трубок для диапазонов частот выше 14-МГц. Для других нижних диапазонов полотно антенны выполняют из толстого провода, который обладает довольно существенным сопротивлением потерь, что приводит к снижению эффективности работы магнитных рамок. Однако, несмотря на это, на практике магнитные антенны успешно используются для работы и на нижних любительских диапазонах. Это связано с тем, что другие укороченные антенны там работают еще хуже, чем магнитные рамочные антенны.

Расположение магнитной антенны должно быть таким, чтобы ее паразитная емкость на землю и посторонние предметы была минимальной.

Приемные магнитные рамки

Конечно, если магнитная рамочная антенна работает только на прием, особых проблем с высоким КПД ее работы нет. Для таких рамок вполне можно использовать конденсаторы с твердым диэлектриком или воздушные с трущимися контактами. Приемные рамки часто тоже делают многовитковыми, что позволяет уменьшить их физические размеры. Для полотна приемной рамочной антенны можно использовать относительно тонкий провод. Но для передающих антенн такое практическое выполнение неприемлемо, поскольку почти вся мощность передатчика в этом случае пойдет на нагрев рамки.

Оплетка коаксиального кабеля в полотне магнитной рамочной антенны

Можно прочитать рекомендации по использованию в полотне магнитной рамки оплетки коаксиального кабеля вместо медной трубки или толстого провода. Однако, следует весьма осторожно использовать коаксиальный кабель, покрытый пластиковой оболочкой для изготовления магнитных рамочных антенн. Особенно это относится к коаксиальным кабелям, покрытым черной пластиковой оболочкой. В черной пластиковой оболочке коаксиального кабеля содержится сажа. Это сделано специально, для поглощения обратной волны протекающей по внешней стороне оплетки коаксиального кабеля. Для коаксиального кабеля, работающего в качестве фидера, это является ценным свойством, но при использовании такого коаксиального кабеля в качестве полотна магнитной антенны, это приводит к тому, что такая антенна будет иметь низкий КПД при работе на передачу.

Однако, из такого коаксиального кабеля, имеющего оболочку с сажей, вполне можно выполнять полноразмерные антенны коротких волн, как об этом было написано в литературе [7]. Дело в том, что полноразмерные антенны имеют сопротивление излучение находящееся в пределах 50-100-Ом, и те несколько Ом сопротивления потерь, что добавит во входное сопротивление антенны «сажная» оболочка коаксиального кабеля не отразятся значительно на КПД этих антенн.

Еще один фактор, приводящий к увеличению потерь в оболочке коаксиального кабеля, заключается в том, что по полотну магнитной рамки протекают значительные высокочастотные токи, большие по величине токов протекающих по полотну полноразмерной антенны, при той же излучаемой ей мощности, что и у магнитной рамочной антенны. Во многих диэлектриках потери возрастают не пропорционально росту напряженности поля, а имеют квадратичную зависимость. Это еще более увеличивает значение сопротивления потерь для магнитной рамочной антенны выполненной из коаксиального кабеля, покрытого пластиковой оболочкой.

Определение потерь в пластиковой оболочке коаксиального кабеля на основе изменения напряжения на конденсаторе магнитной рамки

Несмотря на описанные выше недостатки коаксиальных кабелей, покрытых пластиковыми оболочками, они продолжают использоваться для изготовления любительских магнитных рамочных антенн. Однако, перед изготовлением магнитной антенны с полотном из коаксиального кабеля желательно убедиться, что оболочка коаксиального кабеля не вносит дополнительных потерь в полотно антенны. В противном случае эту оболочку необходимо снять. Рассмотрим, как можно практически определить степень потерь, вносимых в работу магнитной рамочной антенны пластиковой оболочкой коаксиального кабеля.

Для этого обратимся к рис. 10. Этот рисунок показывает теоретическую зависимость напряжения на конденсаторе магнитной рамочной антенны (конечно, настроенной в резонанс) от длины антенны выраженной в длинах волн (λ) для магнитных антенн, выполненных из разного материала, при подводимой мощности к антенне равной 5 ватт. Из этого рисунка видно, что чем меньше сопротивление потерь в антенне, тем сильнее смещен максимум напряжения на конденсаторе магнитной рамочной антенны в сторону низких частот. Этот эффект понятен и был разобран выше. Чем меньше сопротивление потерь в рамке, тем меньше ее критический периметр, при котором сопротивление излучения начинает превышать сопротивление потерь, и, следовательно, тем при меньшем периметре, выраженном в длинах волн, начинается уменьшение добротности рамки, и как следствие этого, уменьшение напряжения на конденсаторе рамки.

Зависимость напряжения на конденсаторе настроенной в резонанс магнитной антенны от периметра антенны

Из этого рисунка виден простой способ измерения потерь вносимых оболочкой коаксиального кабеля в антенну. Для этого измеряют напряжение на конденсаторе магнитной антенны, полотно которой выполнено из коаксиального кабеля в пластиковой оболочке, на разных частотах ее настройки, затем оболочку снимают, и снова измеряют высокочастотное напряжение на конденсаторе магнитной антенны на тех же частотах ее настройки. Если график распределения напряжения существенно изменился, и сдвинулся в сторону низких частот, значит, в этом случае пластиковая оболочка вносит потери в работу антенны.

Проведя измерения по этой методике также можно качественно судить об общем сопротивлении потерь в магнитной рамочной антенне. Магнитные антенны, имеющие малое сопротивление потерь, имеют четко выраженный максимум высокочастотного напряжения, с увеличением сопротивления потерь эта зависимость сглаживается, и у рамок с большим сопротивлением потерь, напряжение на конденсаторе зависит от частоты почти по линейному закону. Дополнительное сопротивление потерь в магнитную рамочную антенну, полотно которой выполнено из оплетки коаксиального кабеля, может вносить конденсатор настройки антенны.

Обратите внимание на то, что электрическая длина полотна антенны, выполненной из коаксиального кабеля покрытого оболочкой немного больше, чем для кабеля без пластиковой оболочки. Однако, поскольку мы проводим качественные измерения потерь, вносимых пластиковой оболочкой в работу магнитной рамки, на точность измерения это существенно не влияет.

Измерение напряжения на конденсаторе магнитной рамочной антенны сопряжено с рядом трудностей чисто практического характера, о которых будет сказано ниже. Поэтому, для определения потерь, вносимых в магнитную рамку оболочкой коаксиального кабеля, радиолюбители с успехом могут использовать более простой способ, который будет описан в следующем параграфе.

Определение потерь в пластиковой оболочке коаксиального кабеля на основе изменения полосы пропускания магнитной рамки

Качественно величину сопротивления потерь, вносимых оболочкой коаксиального кабеля в работу магнитной рамочной антенны можно определить, руководствуясь изменением полосы пропускания магнитной рамки выполненной из коаксиального кабеля в пластиковой изоляции и без нее. Рис. 11 показывает график теоретической зависимости полосы пропускания настроенной в резонанс магнитной рамочной антенны от периметра антенны, выраженного в длинах волн (λ), для магнитных антенн, выполненных из разного материала. Из этого графика видно, что чем меньше сопротивление потерь в магнитной рамочной антенне, тем сильнее отличие в полосе пропускания антенны на нижних и верхних диапазонах ее работы. В магнитной рамочной антенне, имеющей низкое сопротивление потерь, вид зависимости полосы пропускания антенны от частоты близок к квадратичной линии, а в магнитной антенне с большим сопротивлением потерь, вид этого графика близок к обычной прямой линии. Этот график тоже понятен, чем меньше сопротивление потерь в антенне, тем уже ее полоса пропускания. От характера роста сопротивления потерь и сопротивления излучения, а также от величины потерь, постоянно вносимых в рамку, и зависит вид этого графика.

 

Зависимость полосы пропускания настроенной в резонанс магнитной антенны от периметра антенны

Этот рисунок показывает еще один простой способ для качественного определения величины сопротивления потерь вносимых оболочкой коаксиального кабеля в работу магнитной антенны. Для этого измеряют полосу пропускания магнитной антенны, выполненной из коаксиального кабеля в пластиковой оболочке, затем оболочку снимают, и снова измеряют полосу пропускания антенны. Если полоса пропускания на нижних диапазонах антенны уменьшилась, значит, оболочка коаксиального кабеля вносит потери в работу магнитной рамки. По степени сужения полосы пропускания судят о величине потерь, вносимых оболочкой коаксиального кабеля в работу магнитной рамки. При практическом исследовании полосы пропускания антенны полезно иметь теоретически построенный график полосы пропускания магнитной антенны выполненной из медной трубки диаметром равной диаметру оплетки коаксиального кабеля. Этот график позволит судить о потерях вносимых в рамку переменным конденсатором и близкорасположенными к рамке предметами.

Выводы по использованию для полотна магнитных рамок оплетки коаксиальных кабелей

Эксперименты, проведенные мной с магнитными антеннами, выполненными из различных коаксиальных кабелей в черной оболочке, которые были в моем распоряжении, показывают, что эту оболочку все же желательно снимать. В противном случае до 20-30% от мощности подводимой к антенне уйдет на нагрев этой оболочки.

Коаксиальные кабели с белой оболочкой в общем случае практически всегда можно использовать в конструкциях магнитных рамок без снятия с них внешней пластиковой оболочки. Однако, и тут необходимо соблюдать осторожность. У меня оказался кусок 50-Омного коаксиального кабеля в белой оболочке с красноватым оттенком, марка этого кабеля мне была неизвестна, оболочка которого в работу магнитной антенны вносила потери большие, чем любая черная пластиковая оболочка.

Итак, можно сделать следующий вывод по использованию коаксиального кабеля или просто толстого провода в изоляции для изготовления магнитной рамочной антенны. Надо не пожалеть куска такого коаксиального кабеля и измерить потери вносимые его оболочкой в работу рамки.

Схема для определения потерь вносимых оболочкой коаксиального кабеля в магнитную рамку

Выше описывалось определение параметров магнитной рамочной антенны при помощи измерения высокочастотного напряжения на конденсаторе магнитной рамочной антенны. Однако, провести такие измерения, которые можно было бы назвать корректными, в радиолюбительских условиях не просто. Во первых, измерение больших уровней высокочастотного напряжения связано с рядом трудностей, которые не всегда легко решаемы, а во вторых, возможно некорректное подключение высокочастотного вольтметра к конденсатору рамки, в результате которого добротность рамочной антенны может значительно упасть. Поэтому было решено отказаться от непосредственного измерения напряжения на конденсаторе рамочной антенны, а провести косвенные измерения, которые, тем не менее, позволят построить графики, показанные на рис. 10 и 11.

Во первых, вместо измерения высокочастотного напряжения на конденсаторе, было произведено измерение высокочастотного напряжения на части полотна рамочной антенны. Это измерение осуществить гораздо проще чем измерение высокочастотного напряжения на конденсаторе рамки, в то же время, результаты этого измерения адекватны измерению высокочастотного напряжения на конденсаторе. Во вторых, можно построить эти графики (рис. 10 и 11) осуществив измерение напряженности электромагнитного поля, создаваемого магнитной рамочной антенной. В этом случае методика проведения измерений существенно упрощается. Схема, поясняющая проведение этих измерений, показана на рис. 12.

 

Схема для определения параметров магнитной рамочной антенны

Рассмотрим более подробно схему и методику проведения каждого из этих измерений.

Определение вносимого затухания оболочки коаксиального кабеля при помощи измерения части напряжения на магнитной рамке

Для отвода части напряжения от рамки на измерительный прибор используется петля провода. Петля может быть выполнена из провода диаметром 1- 2 миллиметра, размещенного на высоте 2-3 сантиметра от полотна рамки. Длина петли зависит от чувствительности измерительного прибора, сопротивления резистора, включенного последовательно с измерительным прибором (о работе этого резистора, предназначенного для увеличения линейности показаний измерительного прибора, написано подробно в литературе [8]), и мощности передатчика. При сопротивлении этого резистора 30- 50 кОм, чувствительности измерительного прибора 100 мкА и мощности передатчика 1- 5 ватт длина петли может быть в пределах 10-20 сантиметров. В детекторе желательно использовать германиевые диоды, но при увеличении мощности трансивера подойдут и кремниевые.

Следует обратить внимание, что в этой конструкции необходимо использовать только высококачественные измерительные стрелочные приборы, в которых отсутствует эффект само- детектирования. В некоторых старых микроамперметрах вследствие окислительных процессов на их внутренних контактах присутствует этот неприятный эффект. Обнаружить его можно следующим образом. К конденсатору магнитной рамочной антенны, которая работает на передачу, подключают микроамперметр сначала одним выводом, затем выводы микроамперметра замыкают, и еще раз подключают измерительный прибор к конденсатору. Рис. 13 поясняет проведение этого измерения. Ни в одном из этих подключений микроамперметр не должен показывать никакого тока. Если все же микроамперметр показывает ток, даже незначительный, то внутри его произошло окисление контактов, и использовать его в схеме измерения, показанной на рис. 12 ни в других схемах, где значительные высокочастотные поля могут воздействовать на измерительный прибор, нельзя. Схема измерения высокочастотного напряжения должна быть тщательно спаяна, никакие “крученые” соединения недопустимы. В качестве резистора R1 должен быть использован только постоянный резистор, применять переменный не следует. Как показывает опыт, некоторые переменные резисторы могут вести себя в сильных электромагнитных полях абсолютно непредсказуемо. Блокировочный конденсатор С1 должен быть высокого качества.

 

Определение качества микроамперметра

Собрав схему измерения напряжения на части рамочной антенны согласно рис. 12, подключают магнитную рамку к передатчику. Для возбуждения магнитной рамки используют петлю связи, расположенную внизу рамки симметрично относительно нее. Диаметр петли связи составляет примерно 1/5 часть от диаметра рамки. Петля связи может быть выполнена из медного провода диаметром 1- 2 миллиметра. Петля может быть соединена с трансивером при помощи коаксиального кабеля волновым сопротивлением 50- 75 Ом, на этот кабель на оба его конца желательно установить по высокочастотному дросселю, которые могут быть выполнены в виде 10 ферритовых колец, туго надетых на оболочку коаксиального кабеля.

Измерения производят, руководствуясь следующей методикой.

- Устанавливают трансивер на небольшую мощность, в пределах 1 ватта.

-По возможности быстро перестраивают рамку по всем коротковолновым любительским диапазонам и определяют диапазон работы рамки, где наблюдается максимум показаний микроамперметра. При этом на шкале конденсатора ставят риски, соответствующие его настройке при работе рамки на разных диапазонах.

-         Определив диапазон работы рамки, где наблюдается максимум показаний прибора, увеличивают мощность трансивера до тех пор, пока стрелка микроамперметра не отклонится на 80% от всей шкалы.

-         Затем, не меняя выходную мощность трансивера, снимают показания прибора по диапазонам настройки рамки, и строят график, аналогичный графику на рис. 10.

-         Во время снятия напряжения на магнитной рамке сразу определяют и ее полосу пропускания. Для этого на каждом диапазоне работы рамки трансивер плавно перестраивают вверх и вниз от частоты настройки рамки. Полосу пропускания определяют по уменьшению напряжения, показываемого микроамперметром в 0,7 раз от максимального напряжения на этом диапазоне. Строят график полосы пропускания магнитной рамки аналогичный на рис. 11.

После этого аккуратно снимают пластиковую оплетку с коаксиального кабеля и снова проводят описанные выше измерения, не меняя мощности трансивера. Если при этом уровень напряжения на магнитной рамке увеличился, а ее полоса пропускания сузилась, то можно сказать, что оболочка коаксиального кабеля вносит потери в работу антенны. Все измерения необходимо производить достаточно быстро, что бы изменения в температуре и влажности воздуха не оказали значительного влияния на работу магнитной рамки и трансивера. При проведении измерений необходимо сохранять положение всех предметов, окружающих магнитную рамку. Трансивер необходимо включить «на прогрев» не менее чем за час перед проведением измерений.

Можно попытаться при помощи одной из программ расчета магнитных рамок определить эквивалентный диаметр проводника коаксиального кабеля в оболочке. При моих расчетах получалось, что коаксиальный кабель в пластиковой оболочке с потерями имеет эквивалентный диаметр в 2- 3 раза меньше чем такой же кабель, но без оболочки. Иными словами, если в магнитной рамке использовать коаксиальный кабель без пластиковой черной оболочки, то можно принять в расчетах, что диаметр провода, из которого выполнена рамка соответствует диаметру этого кабеля. Но если же используется коаксиальный кабель в оболочке, то можно сказать, что эквивалентный диаметр провода, из которого выполнена рамка, в 2- 3 раза меньше диаметра этого коаксиального кабеля.

Данная методика определения потерь, вносимых оболочкой коаксиального кабеля в работу магнитной рамки, имеет ряд ограничений, вследствие которых при проведении измерений могут возникнуть ряд погрешностей. Однако, даже используя эту несовершенную методику, можно решить, использовать коаксиальный кабель в конструкции антенны с пластиковой оболочкой или без нее.

Определение вносимого затухания оболочки коаксиального кабеля при помощи измерения напряженности электромагнитного поля

Для измерения напряженности электромагнитного поля, создаваемого магнитной рамкой, можно использовать измеритель напряженности поля, собранный по любой схеме, например, приведенной в литературе [8]. Преимущества при использовании измерителя напряженности поля заключаются в том, что отпадает необходимость подпайки к тестируемой магнитной рамки измерительной петли.

Мной был использован самодельный измеритель напряженности поля, показанный на рис. 12. В качестве приемника высокочастотной энергии в этом измерителе напряженности используется обычная магнитная рамка малого диаметра, выполненная из провода диаметром 1 миллиметр. Если параллельно этой рамке подключить строенный переменный конденсатор емкостью 3х12х495, то чувствительность этого измерителя электромагнитного поля значительно возрастет, и для питания тестируемой магнитной рамочной антенны можно будет вместо трансивера использовать высокочастотный генератор. Однако для того, чтобы рамка пробника могла настраиваться на диапазоне 80 метров, параллельно переменному конденсатору надо подключить постоянный, емкостью 1200-пФ. Недостаток измерителя напряженности поля с настраиваемой в резонанс рамкой заключается в том, что при его использовании погрешность при измерении полосы пропускания магнитной рамки возрастает.

В измерителе напряженности поля желательно использовать стрелочный микроамперметр чувствительностью 100-мкА. Резистор R1 может быть любым, как постоянным, так и переменным, максимальным сопротивлением 100-кОм. Диод может быть использован германиевый, типа Д9 с любой буквой. Использование диода Шоттки, например типа КД514, приведет к увеличению чувствительности измерителя напряженности поля. При недостатке чувствительности к любому концу петли подключите штыревую антенну длиной около 1 метра.

Затем измеритель напряженности поля устанавливают на расстоянии 2-3 метра от тестируемой магнитной рамки. Подключают магнитную рамку к передатчику. Для возбуждения магнитной рамки используют петлю связи, расположенную внизу рамки симметрично относительно нее. Диаметр петли связи составляет примерно 1/5 часть от диаметра рамки. Петля связи может быть выполнена из медного провода диаметром 1- 2 миллиметра. Петля может быть соединена с трансивером при помощи коаксиального кабеля волновым сопротивлением 50- 75 Ом, на этот кабель на оба его конца желательно установить по высокочастотному дросселю, которые могут быть выполнены в виде 10 ферритовых колец, туго надетых на оболочку коаксиального кабеля.

Измерения производят, руководствуясь следующей методикой.

- Устанавливают трансивер на небольшую мощность, в пределах 1 ватта.

-По возможности быстро перестраивают рамку по всем коротковолновым любительским диапазонам и определяют диапазон работы рамки, где наблюдается максимум показаний микроамперметра. При этом на шкале конденсатора магнитной ставят риски, соответствующие его настройке при работе рамки на разных диапазонах. В случае использования настраиваемой магнитной рамки и в измерителе напряженности поля, настраивают эту рамку по максимуму показаний микроамперметра.

-         Определив диапазон работы рамки, где наблюдается максимум показаний прибора, увеличивают мощность трансивера до тех пор, пока стрелка микроамперметра не отклонится на 70% от всей шкалы.

-         Затем, не меняя выходную мощность трансивера, снимают показания прибора по диапазонам настройки рамки, и строят график, аналогичный графику на рис. 10.

-         Во время измерения напряженности электромагнитного поля сразу определяют и полосу пропускания магнитной рамки. Для этого на каждом диапазоне работы рамки трансивер плавно перестраивают вверх и вниз от частоты настройки рамки. Полосу пропускания определяют по уменьшению напряжения, показываемого микроамперметром в 0,7 раз от максимального напряжения на этом диапазоне. Строят график полосы пропускания магнитной рамки аналогичный на рис. 11.

После этого аккуратно снимают пластиковую оплетку с коаксиального кабеля и снова проводят описанные выше измерения. Если при этом уровень напряженности электромагнитного поля, создаваемого магнитной рамкой увеличился, а ее полоса пропускания сузилась, то можно сказать, что оболочка коаксиального кабеля вносит потери в работу антенны. Все измерения необходимо производить достаточно быстро, что бы изменения в температуре и влажности воздуха не оказали значительного влияния на работу магнитной рамки и трансивера. При проведении измерений необходимо сохранять положение всех предметов, окружающих магнитную рамку и измеритель напряженности поля. Трансивер необходимо включить «на прогрев» не менее чем за час перед проведением измерений.

При использовании данной методики для определения потерь, вносимых оболочкой коаксиального кабеля в работу магнитной рамочной антенны, были получены результаты, аналогичные тем, что были получены при измерении части напряжения на магнитной рамке. Было еще раз подтверждено, что коаксиальный кабель в пластиковой оболочке с потерями имеет эквивалентный диаметр в 2- 3 раза меньше чем такой же кабель, но без оболочки. Иными словами, если в магнитной рамке использовать коаксиальный кабель без пластиковой черной оболочки, то можно принять в расчетах, что диаметр провода, из которого выполнена рамка соответствует диаметру этого кабеля. Но если же используется коаксиальный кабель в оболочке, то можно сказать, что эквивалентный диаметр провода, из которого выполнена рамка, в 2- 3 раза меньше диаметра этого коаксиального кабеля.

Определение потерь, вносимых оболочкой коаксиального кабеля в работу магнитной рамки при помощи измерения напряженности электромагнитного поля, создаваемого магнитной рамочной антенной имеет ряд ограничений, вследствие которых при проведении измерений могут возникнуть ряд погрешностей. Однако, даже используя эту несовершенную методику, можно решить, использовать коаксиальный кабель в конструкции антенны с пластиковой оболочкой или без нее.

Конструкция стенда для проведения измерений

Необходимо несколько слов сказать о конструкции стенда для проведения измерений, показанной на рис. 14. Магнитная рамочная антенна крепится на деревянной крестовине при помощи кусочков медного провода, продетых в доски и закрученных на их другой стороне. На верхушке крестовины закреплен конденсатор для настройки рамки в резонанс. В конце одной из перекладин закреплен микроамперметр. От основания крестовины до магнитной рамки должно быть не менее 50 сантиметров. Для устойчивости крестовины во время проведения измерений на ее основание были положены несколько тяжелых трансформаторов. Для питания рамки использовался коаксиальный кабель волновым сопротивлением 50-Ом длиной 8 метров. К крестовине коаксиальный кабель был примотан скотчем.

Конструкция стенда для определения параметров магнитной рамочной антенны

Во время проведения измерений рамка была установлены в центре комнаты на невысокий деревянный столик так, что бы с места установки трансивера было хорошо видно микроамперметр. Трансивер находился в углу комнаты. В этом случае расстояние между трансивером и магнитной рамкой было не менее трех метров. Как показали опыты, дальнейшее увеличение расстояния между рамкой и оператором не приводит к увеличению точности измерений. При проведении измерения потерь вносимых в рамку оболочкой коаксиального кабеля способом измерения части напряжения на рамке это напряжение измерялось при нахождении оператора за трансивером, при настройке частоты работы трансивера на максимальные показания микроамперметра.

При проведении измерения потерь вносимых в рамку оболочкой коаксиального кабеля способом измерения напряженности электромагнитного поля, измеритель напряженности располагался в противоположном углу от трансивера, на расстоянии примерно 2 метра от оператора. Сначала частота трансивера настраивалась на максимальные показания микроамперметра, затем конденсатором С2 (в случае если он использовался) производилась дальнейшая подстройка входного контура по максимуму показаний микроамперметра. На мой взгляд, при использовании совместно с магнитной рамкой трансивера выходной мощностью более 1 ватта целесообразно использовать апериодический измеритель напряженности поля, то есть, переменный конденсатор С2 можно из схемы исключить.

Еще раз обращаю внимание на то, что измерения необходимо производить быстро и аккуратно, оставляя неизменным расположение предметов, окружающих магнитную рамочную антенну. Только в этом случае результаты измерений можно будет считать достоверными.

Упрощенное определение потерь оболочки коаксиального кабеля на высоких частотах

Описанные выше способы измерения потерь, вносимых оболочкой коаксиального кабеля в работу магнитной рамочной антенны, позволяют достоверно судить о степени ухудшения работы магнитной рамочной антенны выполненной из коаксиального кабеля в пластиковой изоляции по сравнению с такой же антенной выполненной из коаксиального кабеля, но без пластиковой изоляции. Однако, во многих случаях достаточно просто знать, вносит ли пластиковая оболочка потери в работу антенны или нет. В этом случае можно использовать упрощенный метод определения потерь пластиковой оболочки на высоких частотах.

Для этого отрезают примерно 10 сантиметров тестируемого коаксиального кабеля, снимают с него пластиковую оболочку, измельчают, и кладут в пенопластовый стакан, типа того, в которых подают кофе в точках питания системы «фаст фуд». Внутренний диэлектрик коаксиального кабеля тоже измельчают и кладут в другой стакан. Эти два стакана ставят в непосредственной близости друг от друга в микроволновую печь, также в печь стакан чая (или какую либо другую нагрузку), и прогревают в течении 5 – 10 минут. Затем на ощупь, или при помощи щупа для измерения температуры, которым сейчас снабжены многие тестеры, сравнивают температуру пластика, используемого в качестве внутреннего наполнителя с температурой пластика защитной оболочки коаксиального кабеля. По разнице температур судят о степени потерь в защитной оболочке. Чем выше температура пластиковой оболочки относительно температуры внутреннего диэлектрика, тем больше потерь будет внесено в работу магнитной рамки.

На основании этого теста можно будет принять решение, определять ли величину этих потерь при помощи измерения напряжения на конденсаторе или измерения напряженности электромагнитного поля.

Воздействие на магнитную антенну атмосферных осадков и электричества

Выше было показано, что использование для построения полотна магнитной рамочной антенны коаксиального кабеля, покрытого оболочкой имеющей потери на высоких частотах, ведет к снижению эффективности работы магнитной рамочной антенны. Однако, если магнитная рамочная антенна размещена на улице, то ее внешняя оболочка неизбежно будет покрыта влагой во время дождя, снегом в снегопад, изморозью при переходе от дождя к снегу, пылью летом. Все это приведет к тому, что часть высокочастотной энергии, подводимая к рамочной антенне, пойдет на нагрев этой, природой созданной, оболочки. Вспомните опыт по нагреванию в микроволновой печке оболочки коаксиального кабеля, в качестве нагрузки печи использовался стакан воды, который в этом случае нагревался сильнее, чем пластиковая оболочка коаксиального кабеля, то есть, вода имеет более значительные потери на высоких частотах по сравнению с пластиком. Особенно вода выпавшая во время кислотных дождей.

Опыт эксплуатации магнитных рамочных антенн подтверждает это явление. Мной долгое время эксплуатировалась магнитная рамочная антенна сделанная из алюминиевого обруча и установленная на балконе. Эта антенна работала на диапазонах 20, 30 и 40 метров, КСВ этой антенны на этих диапазонах был не лучше 1:1,8. Было замечено, что во время сильных туманов или во время обледенения антенны ее КСВ резко улучшался, в некоторых случаях практически до 1:1, и значительно расширялась ее полоса пропускания. Очевидно, что туман и лед, покрывающий антенну, поглощал высокочастотную энергию, подводимую к антенне, и служил причиной уменьшения добротности антенны. Однако на слух явного ухудшения приема или передачи антенны работающей в этих условиях по сравнению с тем, как работала антенна раньше, не было.

Если есть возможность, магнитную рамочную антенну желательно размещать в месте, защищенном от воздействия атмосферных осадков. Например, на застекленном балконе или закрытом чердаке. В противном случае часть энергии вашего передатчика пойдет на нагрев атмосферы. Повторяю еще раз, что особое внимание следует уделить защите от атмосферных воздействий конденсатора антенны, на котором во время передачи может быть большое высокочастотное напряжение. В противном случае возможно появление электрической дуги между пластинами конденсатора, локальный нагрев мест, где образуется дуга, и выход конденсатора из строя. Например, в одной из моих экспериментальных магнитных рамочных антенн, в которой для настройки использовался самодельный дисковый конденсатор (аналогичный показанному на рис. 7) появление дуги привело к нагреву дисков конденсатора, а затем и отпайке их от антенны.

В целом же магнитная антенна является самой безопасной из всех антенн при работе во время грозы и пыльных бурь. Как правило, полотно рамки и питающий антенну коаксиальный кабель заземлены на электротехническую землю, что снимает статический заряд с антенны. Однако, вследствие малых размеров магнитной антенны, величина этого заряда будет меньше, чем для полноразмерных коротковолновых антенн. Магнитная антенна обычно расположена ниже других антенн, например, на балконе или даже окне комнаты, поэтому прямое попадание молнии в нее 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 атмосферных помех уже практически не возможен.

Диаграмма направленности магнитной рамочной антенны

Выше было сказано, что магнитная антенна обладает направленными свойствами. А какой же реальный вид диаграммы направленности магнитной рамки? Программа MMANA позволяет показать вид диаграммы направленности рассчитываемой на ней антенны, поэтому воспользуемся возможностями MMANA для определения диаграммы направленности магнитной рамочной антенны.

Используя программу MMANA, определим диаграммы направленности для вертикальной и горизонтальной рамочной антенны диапазона 80 метров, находящейся в различных условиях. Надо сказать, что MMANA не показывает объемную диаграмму направленности антенны, она дает вид сечений реальной диаграммы направленности антенны плоскостью X- Y для горизонтальной плоскости или X- Z для вертикальной. Поэтому при моделировании антенну следует располагать так, чтобы предполагаемый максимум излучения лежал вдоль оси






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.