Многовитковая рамочная антенна СВ — КВ — УКВ диапазонов.
Активно-пассивная нерезонансная магнитная антенна для широкополосного приёма.
Давайте-ка фразу «Лучшее — враг хорошего» оставим авторам изречения, будь то какой-нибудь там иноземный француз/итальяшка, злобный англосакс, или дикий Тунгус и сын степей калмык. А сами тем временем озадачимся модификацией отлично себя зарекомендовавшей рамочной антенны, подробно описанной на предыдущей странице.
Что позволяет считать описанную конструкцию «отлично себя зарекомендовавшей»? Многочисленные письма, приходящие мне на почту и сдобренные словами благодарности за возможность окунуться в волшебный мир радиоэфира. А также возможность в сложных условиях городских помех потрогать за вымя не только мегаваттного китайского АМ вещателя, но и эпизодичного радиолюбителя с позывным, и даже — свободного шарманщика-нелегала с паяльником в руках и собственной работы антенной в огороде.
На кой нам сдалось её модифицировать? Отвечу — стабильно усложняющейся помеховой обстановкой в городе в совокупности с естественной потребностью хоть как-то увеличить количество принимаемых корреспондентов!
Не знаю как у Вас, но у меня в последнее время в городской квартире с завидной регулярностью КВ диапазон начинает гудеть. Происходит это, как правило, в вечерние часы в полосе частот 3-15МГц с пиком шумовой плотности в районе 7МГц. В такие периоды времени любые типы антенн, кроме магнитных рамок, бессильны справиться со своими возложенными обязанностями. А вот фразу с предыдущей страницы о том, что экранирование рамки (с точки зрения шумовых характеристик) никаких преимуществ не даёт — я забираю обратно. В подобных условиях — очень даже даёт, причём помимо экранирования, возникает и потребность поворота плоскости рамки в такое положение, при котором шумы будут минимальны.
Так, с этим разобрались. А каковы пути дальнейшего улучшения приёмных свойств атенны?
Максимальная эффективность приёмной рамки диаметром около 30см находится в диапазоне частот: начиная с 10МГц и выше. Под эффективностью в данном случае я имею в виду такой параметр, как отношение сигнал/шум принимаемой станции. На более низкочастотных диапазонах для поддержания данного параметра требуется большее количество витков, причём тем большее, чем ниже частота принимаемого сигнала. Именно по такому принципу изменения количества витков на разных диапазонах строятся некоторые конструкции серийных магнитных КВ антенн, в том числе и описанные в статье (ссылка на страницу) «ПРИЁМНЫЕ МАГНИТНЫЕ КВ АНТЕННЫ СОВЕТСКОГО ВОЕНПРОМА». И хотя приведённые рамки являются резонансными, все эти же принципы полностью распространяются и на нерезонансные магнитные антенны.
Амплитуда сигнала, поступающего с нерезонансной магнитной антенны, вполне достаточна для приёма приличным радиоприёмником с чувствительностью около 1мкВ. В этом случае, учитывая условия сильной зашумлённости КВ эфира в городе, большого смысла в введении антенного усилителя для рамочной антенны нет — вполне достаточно трансформатора для согласования несимметричного входа приёмника с симметричной антенной.
Если приёмник не обладает необходимой чувствительностью, то сигнал может быть без зазрения совести усилен посредством незамысловатой резонансной схемы, приведённой на предыдущей странице (ссылка на страницу).
Сложные схемы усилителей с дифференциальными входами и высоким коэффициентом усиления к ожидаемому улучшению не приводят, мало того, в силу широкополосности легко могут перегрузить смеситель приёмника и «порадовать» радиолюбителя непредвиденными интермодуляционными помехами.
С другой стороны, при наличии неблагоприятных условий в квартире и полном отсутствии балкона в каменных хоромах, может оказаться полезным вынос магнитной рамки на воздух, метра на 1-2 за пределы помещения. Поскольку длина кабеля между антенной и приёмником в данном случае может составлять значительную величину, то степень согласования волновых сопротивлений посредством симметрирующего трансформатора окажется явно недостаточной. Поэтому — при значительной длине коаксиального кабеля необходимость встроенного усилителя обусловлена функцией согласования волновых сопротивлений компонентов для получения приемлемых значений КСВ.
Итак — тезисы выдвинуты, пора переходить к схеме электрической принципиальной.
Рис.1
Для расширения диапазона эффективно принимаемых частот вплоть до среднечастотного диапазона (500кГц) было принято решение увеличить количество витков рамочной антенны до 4-ёх.
Я использовал готовый четырёхжильный кабель ПВС 4*0,75, а в качестве экрана прикупил метр трубы медной отожжённой KME SANCO с внешним диаметром 12мм и толщиной стенок 1мм. Всё это хозяйство в минимальном объёме мне удалось приобрести в интернет магазине https://santshop.ru/, за что ему большое человеческое спасибо. После того как трубка будет свёрнута в кольцо, необходимо её разрезать пополам для того, чтобы организовать 1. 1,5 сантиметровый зазор в экране, в который и будет проникать магнитная составляющая радиосигнала.
Три сдвоенных переключателя S1-S3 коммутируют витки кабеля, соединяя их между собой либо параллельно, либо последовательно, что позволяет таким образом изменять их количество на входе симметрирующего трансформатора Tr1 от 1 до 4.
Посредством переключателя S4 осуществляется выбор режима работы антенны между активным либо пассивным режимами.
Активное звено части усилителя, спрятанное в корпусе антенны, построено несколько нетрадиционно.
Во-первых, оно представляет собой 2 эмиттерных повторителя, включённых параллельно.
Во-вторых, не подразумевает подводимого к нему источника питания и запитывается от нагрузки, находящейся на другом конце кабеля, а конкретно — в составе основной части усилительного устройства.
Что даёт нам такое построение?
А даёт нам это — нормированное выходное сопротивление звена, равное ≈ 26 Омам, что гарантирует параметр КСВ при работе на 50-ти омный коаксиальный кабель, не превышающий 2.
Параллельное включение повторителей на Т1 и Т2, каждый со своей цепью смещения, пришлось использовать вынужденно — в связи со сложностью нахождения радиочастотных p-n-p транзисторов необходимой мощности. Тупо соединять в параллель транзисторы в подобном построении — решение не самое хорошее, так оно чревато повышенными нелинейными, а также интермодуляционными искажениями.
Токи покоя транзисторов (по 10мА каждый) задаются резисторами смещения R1 и R2, номиналы которых необходимо подобрать на финальном этапе настройки схемы.
Как это всё выглядит?
Рис.2
Понятно, что в связи с увеличением количества витков в рамке, трансформатор, который мы мотали на предыдущей странице в соответствии с рекомендациями 1428 (ссылка на страницу) при работе на нижних диапазонах окажется не самым оптимальным.
Налицо — необходимость увеличения индуктивности первичных обмоток. С другой стороны, при работе на верхних диапазонах, когда ко входу трансформатора подключён всего один виток — такое увеличение индуктивности будет нежелательным. Поэтому компромиссным решением следует считать незначительное увеличение индуктивности обмоток (я счёл оптимальным — в 2-3 раза) при сохранении количества витков в обмотках во избежание пропорционального увеличения паразитных ёмкостей трансформатора.
Делается это просто — увеличением размера используемого ферритового сердечника (бинокля). Оценить эти размеры можно по фотографии, приведённой на Рис.2 справа.
Однако пришло время обнародовать схему ответной части усилителя. 
Рис.3
Простейший усилитель, приведённый на Рис.3, за счёт введения возможности регулировки усиления обеспечивает лучшие показатели, чем дифференциальные усилители, часто встраиваемые в корпус рамки, без возможности такой регулировки.
Как это работает? Резистор R1 является нагрузочным для эмиттерных повторителей, находящихся в корпусе рамки антенны. Далее следует усилительный каскад, выполненный по схеме с общей базой, на транзисторе Т1, в качестве нагрузки которого выступает резистор R8, зашунтированный дросселем L1.
Переменный резистор R4 выполняет функцию регулировки усиления входного сигнала в пределах 2. 10 раз по напряжению.
Входное сопротивление схемы Rвх определяется величиной параллельно соединённых R1 и суммы сопротивлений: R3, R4 и Rвх каскада с ОБ на транзисторе Т1, т.е. Rвх ≈ R1ll(R3+R4). Легко заметить, что при изменении значения потенциометра R4 в диапазоне 0. 200 Ом, величина входного сопротивления усилителя будет принимать значения от 26 до 107 Ом. А это, в свою очередь, практически во всём диапазоне регулировки уровня обеспечивает параметр КСВ, не превышающий 2 (за исключением незначительного превышения при самом низком уровне усиления).
Ну и наконец, эмиттерный повторитель на транзисторе Т2, работающий при значительном токе покоя, призван согласовать усилительный каскад с 50-омным входным сопротивлением радиоприёмника.
Настройка схемы сводится к подбору резисторов R1 и R2, находящихся внутри антенны (Рис.1).
Делается это следующим образом:
1. К выходу схемы (точка соединения R5 и R6) временно подпаиваем резистор номиналом 240 Ом, второй вывод которого подключаем к источнику питания 12В.
2. Эмиттер транзистора Т2 отключаем от R6. Подбираем значение резистора R1 для получения тока, отдаваемого источником питания — 13мА.
3. Возвращаем подключение эмиттера Т2 к R6. Подбираем значение R2 для получения тока, отдаваемого источником питания — 20мА.
При завершении настройки — токи через транзисторы должны уровняться и установиться на уровне ≈ 10мА через каждый.
4. Отпаиваем резистор номиналом 240 Ом и считаем настройку внутренней части усилителя выполненной.
Ответная часть усилителя должна заработать без всякой настройки, хотя проверить значения напряжений в указанных на схеме точках будет совсем не лишним.
Дроссель L1 следует изготовить самостоятельно на низкочастотном феррите с наружным диаметром 15-20мм. Это необходимо для минимизации завала АЧХ при работе на верхних диапазонах посредством уменьшения количества витков, а соответственно и собственной паразитной ёмкости моточного изделия.
А на следующей странице рассмотрим более серьёзную ответную часть усилителя, обладающую резонансными свойствами и позволяющую достигать максимального усиления без перегрузки входных цепей и смесителя радиоприёмника.
Источник
Записки программиста
Магнитная рамочная антенна на диапазоны 20/30/40 метров
Магнитная рамочная антенна или магнитная рамка (magnetic loop antenna) — это особая антенна, которая заметно отличается от классических диполей, вертикалов и волновых каналов. Несмотря на похожее название, антенна имеет мало общего с рамочной антенной. Главной отличительной чертой магнитной рамки является длина полотна в пределах от 1/8 λ до 1/4 λ. Антенна безусловно является компромиссной. Тем не менее, магнитные рамки довольно сносно работают как на прием, так и на передачу.
Конструкция
Принцип работы магнитной рамочной антенны с диаграммами направленности, вариантами согласования и всяким таким хорошо освещены в книгах об антеннах, коих написано немало. Есть даже книги, посвященные исключительно магнитным рамкам, см рекомендуемые ссылки в конце поста. Если вас интересует теория, а также происхождение названия антенны, начать можно со статьи в Википедии. Далее будут озвучены кое-какие особенности устройства магнитных рамок. Однако в целом эта статья об изготовлении и тестировании одной конкретной антенны, а не о теории работы всего класса антенн.
Сразу покажу, что у меня получилось:
Диаметр основной петли я выбрал 1.2 метра, как подходящий для выхода на 20 метров, и в то же время достаточно небольшой, чтобы с ним было комфортно работать. В качестве полотна использована оплетка коаксиального кабеля RG213. В полотне магнитной рамки текут большие токи, даже при работе с умеренной мощностью. Поэтому полотно делают из толстого коаксиального кабеля, медных труб, алюминиевого профиля или чего-то такого. Магнитная рамка наиболее эффективна, если полотно образует ровный круг, но антенны также делают в форме восьмиугольника, шестиугольника, ромба, квадрата или треугольника.
Полотно крепится к секциям от телескопической удочки, соединенным крест-накрест, при помощи изоленты. Сам же каркас стоит на штативе для фотоаппарата. Соединены они также при помощи изоленты. Штатив какой-то недорогой, буквально первый попавшийся мне в магазине. Точную модель уже не вспомню.
Антенна запитывается с помощью коаксиального кабеля RG58. Для подавления синфазного тока я использовал проверенный метод. Восемь витков кабеля были намотаны на ферритовом кольце FT240-31. Кольцо можно видеть в середине фотографии. Вопрос о синфазных токах и их подавлении ранее подробно рассматривался в статье Самодельный диполь: теория и практика.
Будучи расположенной вертикально, как на фото, антенна сильнее всего излучает влево и вправо (что полностью противоречит интуиции, во всяком случае, моей). По форме диаграмма направленности похожа на «восьмерку», как у диполя. Эту же антенну можно расположить горизонтально. Тогда она превратиться во всенаправленную — диаграмма направленности по форме будет примерно как у вертикала. Заметьте, что усиление магнитной рамки всегда измеряется в отрицательных dBi. На то она и компромиссная антенна.
В нижней части антенны расположен КПЕ:
Это КПЕ с заявленной емкостью от 22 до 360 пФ на напряжение до 1 кВ. Напомню, что в свое время мной было приобретено три таких КПЕ. Пара использовалась в самодельном тюнере, выполненным по Т-образной схеме и еще один, который я брал, как запасной, был применен в антенне Фукса. После того, как тюнер из первой статьи был переделан на LC-схему, у меня остался один лишний КПЕ. Он и был использован в магнитной рамке.
Антенна в сущности представляет собой резонансный LC-контур. Полотно антенны образует катушку индуктивности с воздушным сердечником из одного витка. Соответственно, при помощи КПЕ подбирается резонанс на интересующей частоте. Конденсатор обязательно нужен на высокое напряжение, 1 кВ минимум. Судя по информации в сети, этого типично хватает для работы с мощностью от 10 до 50 Вт, в зависимости от частоты и вида модуляции. Для работы с большей мощностью применяют вакуумные КПЕ.
Fun fact! Магнитные рамки также делают из двух и более витков. Минусы такого подхода — сужение полосы и без того узкополосной антенны, уменьшение излучаемой энергии, а также рост напряжения на КПЕ, что еще сильнее ограничивает подводимую к антенне мощность.
Конденсатор приклеен к куску оргстекла при помощи эпоксидки. В оргстекле просверлены отверстия, в которые продеты нейлоновые стяжки. С их помощью осуществлено крепление оргстекла к штативу, а также полотна антенны к оргстеклу.
В верхней части антенны расположена согласующая петля, также сделанная из RG213. Подключение питающего кабеля к согласующей петле выполнено так:
Я использовал недорогой переходник с BNC на две клеммы, купленный на eBay. Соответственно, к концам петли были припаяны наконечники M6. В остальном конструкция аналогична той, что использовалась для крепления КПЕ. На пятна зеленой краски на оргстекле не обращайте внимания. Просто оно использовалось в качестве подкладки, когда я что-то красил.
Согласующая петля имеет длину 20% от длины основной петли. Длина последней составляет 3.77 метра, соответственно длина согласующей петли — 0.75 метра. Она крепится к верхней части антенны на все той же изоленте. Никакого непосредственного соединения между двумя петлями нет. Меньшая петля нужна по той причине, что магнитная рамка имеет низкое входное сопротивление. Его нужно как-то согласовать с 50 Ом коаксиального кабеля. Согласующая петля вместе с основной петлей образуют трансформатор, которой именно это и делает.
Выходим в эфир
Настройка антенны на конкретную частоту осуществляется вращением КПЕ. Грубую настройку можно произвести либо по уровню эфирного шума, либо по индикатору напряженности поля. Для более точной настройки необходим антенный анализатор.
Оказалось, что антенна неплохо настраивается сразу на три радиолюбительских диапазона:
Антенна довольно узкополосная. Это общее свойство всех магнитных рамок. Если вы работаете только в цифре и/или телеграфе, для вас это вряд ли будет проблемой. Для работы на поиск в SSB антенну придется постоянно перестраивать.
Отмечу, что КСВ зависит от того, где и как вы поставили антенну. Для работы магнитной рамке не требуется система противовесов. Также она мало чувствительна к высоте от земли. Однако она, как и любая другая антенна, чувствительна к находящимся поблизости металлическим предметам.
Мне удавалось найти положение, при котором КСВ вгонялся ровно в единицу, а также положение, при котором КСВ не опускался ниже двух. Приведенные графики можно воспринимать, как усредненные. Это не лучшие графики, которые я получал, но и не самые плохие. Также эти графики соответствуют положению антенны, в котором проводились тестовые радиосвязи.
Fun fact! Антенна настраивается на любую частоту от 4.5 МГц до 15.4 МГц. В этот интервал, помимо прочего, попадает радиолюбительский диапазон 60 метров, частоты 5.3515-5.3665 МГц. К сожалению, он не разрешен в России для работы на передачу, однако принимать вы можете все, что пожелаете. Также антенна может быть использована для приема номерных радиостанций, да и вообще чего угодно, что попадает в названный интервал частот.
Антенна была установлена в частном загородном доме, возле окна на втором этаже. Направление было выбрано на запад и на восток. Но поскольку на одном уровне с антенной находятся соседские дома, имеющие металлические крыши, сигнал все равно отразится куда угодно. Радиосвязи проводились в FT8 и телеграфе. Экспериментальным образом я установил, что антенна уверенно держит до 40 Вт в любом из этих режимов на любом из диапазонов. При использовании большей мощности что-то где-то начинает перегреваться (вероятно, изолятор в кабеле) и КСВ уплывает, а при мощности 80 Вт КПЕ гарантированно пробивает.
Важно! При работе на магнитную рамку с мощностью 40 Вт рекомендуется находится от нее на расстоянии не менее пяти метров. При использовании мощности 10 Вт или меньше это расстояние может быть уменьшено до двух метров.
Радиосвязи были успешно проведены в каждом из диапазонов. На 40 метрах в FT8 по расстоянию победила Великобритания, 2752 км. При этом был получен рапорт -16 дБ. В телеграфе победил Краснодар, расстояние 1250 км, рапорт 569. На 30 метрах в FT8 по дальности победила Италия, 2250 км с рапортом -24 дБ, в телеграфе — Норвегия, 1170 км с рапортом 579. На 20 метрах в FT8 победил город Омск, 2240 км с рапортом -25 дБ, в телеграфе — Израиль, 2660 км, рапорт 599 (по всей видимости, символический). Само собой разумеется, были проведены и другие радиосвязи. При этом на каждом из диапазонов я работал недолго, буквально по паре часов.
При работе в FT8 сайт pskreporter.info типично показывает что-то вроде:
Здесь показан отчет после 15 минут работы на общий вызов в диапазоне 40 метров. Это наихудшая картина, поскольку антенна наименее эффективна в этом диапазоне. На 30 и 20 метрах картина аналогичная, только на 20 метрах мой сигнал еще иногда долетает до США и Канады.
Полученные результаты превзошли все мои ожидания. Учитывая размеры магнитной рамки, тот факт, что она использовалась из дома, а также ограниченную мощность, считаю, что антенна показала себя прекрасно. Я намерен продолжить экспериментировать с этим видом антенн.
Заключение
- Magnetic Loop Antenna: Slightly Different Each Time, 4th Edition — интересная книжка, полностью посвященная магнитным рамкам. Многое из написанного выше, в том числе про безопасное расстояние до антенны и недостатки антенн из нескольких витков, я почерпнул из нее;
- Small Transmitting Loop Antennas, автор Steve Yates, AA5TB. Хорошая статья о магнитных рамках, а также подборка ссылок на эксперименты многих радиолюбителей;
- Есть несколько онлайн-калькуляторов магнитных рамок, например первый и второй. Я бы не стал слишком уж доверять подобным калькуляторам. Но чтобы прикинуть размеры и эффективность будущей антенны они сгодятся;
- В свое время мне очень понравилась серия статей о магнитных рамках в блоге esorensen.com. К сожалению, сейчас этот сайт доступен только на web.archive.org;
Магнитную рамку можно безусловно рекомендовать как интересный эксперимент для повторения. Также ее по достоинству оценят радиолюбители, не имеющие возможности установить полноразмерную КВ антенну на улице или на крыше. Магнитная рамка может быть интересным вариантом для выхода в эфир, будучи в гостях, живя в отеле или работая в полевых условиях. Но в последнем случае придется приложить чуть больше усилий, чтобы антенна была разборной, герметичной, и устойчивой к ветру. Еще на магнитную рамку можно провести радиосвязи в направлениях, в которых обычно не работает ваша основная антенна. Наконец, для многих радиолюбителей магнитная рамка, вероятно, будет одним из немногих способов выйти на диапазоны 80 и 160 метров.
В общем, антенна интересная, и определенно имеет свои области применения.
Источник