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
Балконные Magnetic Loop — схемы, описания
Данная публикация предназначена для начинающих
радиолюбителей и для тех, у кого нет доступа
на кровлю своего дома. Сушко С.А. (ex.UA9LBG)
Магнитные антенны (Magnetic Loop) типа-ML ввиду своих малых размеров становятся всё более популярными. Все они могут размещаться на балконах и подоконниках. Неоспоримо, что классическую популярность завоевали одновитковые магнитные антенны с вакуумным конденсатором и петлей связи, при помощи которых можно проводить радиосвязи даже с другими континентами.
Двух-рамочные антенны в виде восьмёрки сравнительно недавно начали появляться в среде радиолюбителей, хотя на заре появления Си-Би связи в России, такие антенны с определённым успехом практиковались в автомобильных радио-охранных системах диапазона 27МГц, см.рис.1.а. Автомобильная антенна состояла из двух одинаковых рамок (петель) L1;L2 и общего резонансного конденсатора С1, стоящего в пучности напряжения. С периметром антенны около 5 метров радиолюбитель Стерликов А.(RA9SUS) провел связи с 36-ю странами мощность до 30 Вт. Питание антенны производилось непосредственно от коаксиального кабеля. А подобные антенны практиковались с конца 60-х, начала 70-х годов прошлого века. Эквивалентная схема такой антенны изображена на рис. 1.б.
Хотя одновитковые ML в настоящее время широко применяются в среде радиолюбителей, особенностью двух-витковой состоит в том, что её апертура в два раза больше по сравнению с классической. Конденсатором С1 можно изменять резонанс антенны с перекрытием по частоте в 2-3 раза, а общий периметр окружности двух петель ≤ 0,5λ. Это соизмеримо с полуволновой антенной, а её малая апертура излучения компенсируется повышенной добротностью. Согласование фидера с такой антенной лучше осуществлять посредством индуктивной или емкостной связи.
Теоретическое отступление: Двойную петлю можно рассматривать как смешанную колебательную систему LL и LC-системы. Здесь для нормальной работы оба плеча нагружены на среду излучения синхронно и синфазно. Если на левое плечо подается положительная полуволна, то и на правое плечо подается точно такая же. Зародившаяся в каждом плече ЭДС самоиндукции будет по правилу Ленца противоположна ЭДС индукции, но так как ЭДС индукции каждого плеча противоположны по направлению, то ЭДС самоиндукции будет всегда совпадать с направлением индукции противоположного плеча. Тогда индукция в катушке L1 будет суммироваться с самоиндукцией от катушки L2, а индукция катушки L2 — с самоиндукцией L1. Так же, как и в LC — контуре, суммарная мощность излучения может в несколько раз превосходить входную мощность. Подача энергии может осуществляться на любую из катушек индуктивности и любым способом.
Преобразуя антенну из прямоугольной формы в круглую(рис.1.а), мы получаем антенну, изображённую на рис.2.а. Справедливо считается, что круглая форма магнитной антенны эффективнее, чем прямоугольная.
Постепенно упростился конструктив рамки L1 и L2, их стали включать в виде восьмёрки, на рисунках 2.а. и 2.б. Так появилась двух-рамочная ML в виде восьмёрки. Назовём её условно ML-8.
У ML-8 в отличии от ML появилась своя особенность, — у неё может быть два резонанса, колебательный контур L1;С1 имеет свою резонансную частоту, а L2;С1 имеет свою. В задачи конструктора входит добиться единства резонансов и максимального КПД антенны, следовательно, изготовление петель L1 и L2 должны быть одинаковы. На практике инструментальная погрешность в несколько сантиметров изменяет ту, или другую индуктивность, частоты настройки резонансов расходятся, а антенна получает определённую дельту по частоте. Иногда конструктором это делается умышленно. Особенно это удобно делать у многовитковых петель. На практике ML-8 активно используют LZ1AQ ; K8NDS и др. однозначно утверждая, что такая антенна работает значительно лучше одно-рамочной, а изменение её положения в пространстве можно легко управлять пространственной селекцией, что подтверждает фото ниже по тексту антенны на 145МГц.
Предварительные расчёты показывают, что у ML-8 для диапазона 40 метров, диаметр каждой петли при максимальном КПД составит чуть меньше 3-х метров. Понятно, что такую антенну можно устанавливать только на улице. А мы мечтаем об эффективной ML-8 антенне для балкона или даже для подоконника. Конечно, можно уменьшить диаметр каждой петли до 1 метра и настроить резонанс антенны конденсатором С1 на необходимую частоту, но КПД такой антенны упадёт более чем в 5 раз. Можно пойти другим путём, сохранить расчётную индуктивность петли, используя в ней не один, а два витка, оставив резонансный конденсатор с тем же номиналом. Несомненно, что апертура антенны уменьшится, но количество витков «N» частично возместит эту потерю, согласно представленной ниже формулы:
Из приведённой формулы видно, что количество витков N является одним из множителей числителя и стоит в одном ряду, как с площадью витка-S, так и, с его добротностью-Q.
К примеру, радиолюбитель OK2ER (см. Рис.3) посчитал возможным использовать 4-х витковой ML диаметром всего 0,8м в диапазоне 160-40м.
Автор антенны сообщает, что на 160 метров антенна работает номинально и больше используется им для радионаблюдения. В диапазоне 40м. достаточно воспользоваться перемычкой, уменьшающей рабочее количество витков вдвое. Обратим внимание на используемые материалы, — медная труба петли взята от водяного отопления, клипсы, соединяющие их в общий монолит, используются для монтажа водопроводных пластиковых труб, а герметичный пластиковый ящик приобретён в магазине электрики. Согласование антенны с фидером емкостное, и наверняка по одной из представленных схем, см. Рис.4.
Кроме выше сказанного, нам нужно понимать, что отрицательно влияет на добротность-Q антенны в целом:
Из приведённой формулы, мы видим, что активное сопротивление индуктивности Rк и емкость колебательной системы Ск должны быть минимальными. Именно по этому, все ML делают из медной трубы, как можно большего диаметра, но есть случи, когда полотно петли делают из алюминия, а добротность такой антенны и её КПД падает от 1,1 до 1,4 раза.
Что касаемо емкости колебательной системы, то тут всё сложнее. При неизменном размере петли L, к примеру на резонансной частоте 14МГц, емкость С составит всего 28пФ, а КПД=79%. На частоте 7МГц, КПД=25%. Тогда как на частоте 3,5МГц при ёмкости в 610 пФ, её КПД=3%. По этому ML используют чаще всего на два диапазона, а третий (самый низкий) считается просто обзорным. Следовательно, при расчётах мы будем «плясать от печки», т.е. от выбранного радиолюбителем наивысшего диапазона с минимальной ёмкостью С1.
Диаграмма направленности ML-8 остаётся точно такой, как и у варианта ML. У обоих вариантов антенн полностью сохраняется восмёрочная диаграмма направленности и соответствующая поляризация. На фото, при помощи газоразрядной лампы наглядно показаны уровни излучения антенны с разных сторон.
Проектируем антенну на диапазон 20м.
Теперь мы вооружены начальными знаниями о проектировании ML-8 и попробуем рассчитать вручную свою антенну.
Длина волны для частоты 14,5 МГц составляет (300/14,5) — 20, 68м.
Длина окружности каждой четверть-волновой петли L1; L2 составит 5,17м. Примем -5м.
Диаметр рамки составит: 5/3.14 — 1,6м.
Вывод: Одиночная петля ML может и впишется в интерьер балкона, но ML-8 вряд ли…
Свернём каждую петлю вдвое, но её диаметр, при сохранении заданной индуктивности (4мкГн) будет несколько отличаться в меньшую сторону. Прибегнем к достаточно популярному калькулятору радиолюбителя и определим геометрические размеры двух-витковой петли с такой же индуктивностью.
В соответствии с расчётами параметры каждой петли будут следующими: При диаметре полотна (медной трубы) в 22мм, диаметр двойной петли составит 0,7м, расстояние между витками -0,21м, индуктивность петли составит 4,01мкГн. Необходимые расчётные параметры петли на другие частоты сведены в таблицу 1.
Источник