Магнитная антенна из коаксиального кабеля своими руками. Приемные антенны кв диапазона. раздел "Прием без антенн"

Кольцо — самая эффективная и распространенная конструкция рамочной антенны, так как по сравнению с прочими геометрическими фигурами оно покрывает наибольшую площадь при равных периметрах. Восьмиугольник весьма близок к кольцу по эффективности, квадрату же или ромбу свойствен меньший КПД.

Обычно подстроечный конденсатор переменной емкости размещается в верхней части вертикально установленного кольца, которое заземляется в нижней противоположной точке для защиты от грозы.

Ради удобства настроек в некоторых версиях антенны конденсатор монтируют внизу кольца и часто — в корпусе вместе с согласующим устройством.

Дистанционное управление подстроечным переменным конденсатором осуществить нетрудно, и потому в стационарных кольцевых антеннах подстроечные конденсаторы размещают в верхней части кольца. С легкостью справляются и с гальванической связью.

Одно из решений представлено на рисунке выше в виде Т-согласования с последующим симметрирующим трансформатором.

Несимметричный вариант с гамма-согласованием имеет вид:

В обоих случаях длина отрезка L, в гамма согласовании, должна составлять около 0,1 от длины окружности кольца, а расстояние y — около λ/200.

Индуктивная связь и согласование также широко распространены благодаря простоте реализации.

Чаще всего применяется вариант такого типа:

Внутри большой петли размещают малую индуктивную петлю с соотношением диаметров 5:1. Благодаря симметричной связи через симметрирующий трансформатор на кольцевом сердечнике 1:1 можно подсоединять 50-омный коаксиальный кабель.

При несимметричной связи коаксиальный кабель подключается непосредственно как на рисунке выше (б).
Электрически целесообразный способ индуктивной связи представлен на рисунке (в). Здесь показан только связующий виток из коаксиального кабеля с разрывом
его экрана посреди витка. Экран части правой половины шлейфа припаивается к основанию большого кольца, и в этом месте антенну заземляют. Слегка деформируя шлейф из коаксиального кабеля, добиваются тонкой настройки антенны на минимальный КСВ. Считается, что диаметр d должен быть тем меньше, чем выше рабочая добротность антенны.

Опубліковано: 31 березня 2016

Часть первая. Я уже 5 лет работаю в эфире только на магнитную антенну. Причин этому было несколько: главная та, что нет места для того, чтобы натянуть хоть какую-нибудь “веревку”, а следующее – это то, что я понял - “правильная ”Магнитная рамка" далеко не хуже, а то и, во многих случаях, даже лучше любой проволочной антенны. Когда, еще в Харькове я экспериментировал с магнитной рамкой, у меня было недоверие к этой антенне, хотя еще там на "магнитку" я принимал лучше, чем на полноразмерную "дельту" на диапазоне 160 м. Я тогда сделал тоже много ошибок, о чём и сам не знал.

Тогда у меня была полноразмерная вертикальная "дельта" на 160 метров, растянутая между двумя 16-ти этажками. Я, в основном, работал на 160 м. Как-то занялся и сделал, на скорую руку, приемную магнитную антенну на этот диапазон. При испытании днем, в квартире на 8-м этаже в железобетонном доме, уверенно принимал станцию, находящуюся в 110 км от Харькова, в то время как на дельту я слышал только присутствие станции и ни одного слова принять не мог. Я был поражен, но вечером, когда все пришли с работы и включили телевизоры, я на магнитную рамку ничего вообще не слышал, сплошное жужжание. На этом мой первый опыт и был закончен.

И вот уже здесь, в Торонто, мне снова пришлось заняться магнитными антеннами, но теперь уже и передающими. Сначала у меня на балконе был диполь на 20 м. Европа на 20 м отвечала, но слабовато. Только те, у кого "Яги" или штырь. А когда поставил "Магнитку", то начали отвечать сразу и не только те, что с "Ягами". Пошли связи со станциями, у которых и диполи и "инвертеры" и "веревки". Потом я диполь переделал в дельту. Получился периметр 12.5 м, поставил удлиняющую катушку в 50 см от горячего конца дельты. Теперь дельта стала строиться тюнером от 80 м до 10м. По шумам дельта намного тише диполя, но с "магниткой" сравнивать трудно. Бывают случаи, когда "магнитка" берет больше шумов, а бывает и наоборот. Это зависит от источников шума. Есть связи с Европой и на дельту, но отвечают намного хуже. Магнитка все-таки выигрывает. Я где-то читал, что вертикально расположенная магнитка имеет угол излучения к горизонту ниже 30 градусов.

Моя первая антенна таких размеров: наружный диаметр её трубы - 27 мм (дюймовая медная труба), диаметр антенны по углам - 126 см, диаметр антенны по серединам противоположных сторон - 116 см (Замерялось по оси трубы). Уголки (135 градусов) - тоже медные. Все пропаяно. Вверху антенны есть разрез по середине стороны трубы, зазор около 2,5 см. Верху антенны в пластиковой коробке конденсатор переменной ёмкости - "бабочка" с двигателем постоянного тока и редуктором. Статорные пластины припаяны к медным полосам, которые, в свою очередь, припаяны к трубе по разные стороны зазора, ротор не задействован (токосъемов быть не должно). Емкость переменного конденсатора 7 - 19 пф. Зазор между пластинами - 4-5 мм. Этой емкости хватает, чтобы настраивать антенну на диапазонах 24 МГц и 21 МГц. На 18 МГц нужна дополнительная емкость 13 пФ, на 14 МГц - 30 пФ, на 10 МГц - 70 пФ, на 7 МГц - 160 пФ. Для этих емкостей по краям разреза трубы впаяны зажимы (видно на фото), которыми плотно прижимаются выводы дополнительных конденсаторов (чем плотнее, тем лучше). Такие меры предосторожности нужны при передаче. При 100 Вт, в режиме передачи, на обкладках конденсатора напряжение достигает 5000 вольт, а ток в антенне - до 100 А. Диаметр петли связи 1/5 диаметра антенны. Петля связи (петля Фарадея) изготовлена из кабеля, с антенной контакта нет. Питание антенны - 50-омным кабелем произвольной длины.

Но потом я поменял место жительства и, на новом QTH, эта антенна оказалась слишком большой. Балкон имеет металлическое ограждение, и, поэтому, внутри балкона был слабый прием. Нужно было выносить антенну за пределы балкона и я сделал следующую магнитную рамку.

Её рамка изготовлена из медной трубы диаметром 22 мм, диаметр антенны – 85 см. Работает от 14 до 28 МГц. По расчетам для таких антенн, эта рамка должна работать немного хуже предыдущей, потому что и труба тоньше, и диаметр рамки меньше, но практическое использование показало, что вторая антенна ничем не уступает большей рамке. И мое заключение - цельная труба все-таки лучше, чем спаянная из нескольких кусков. При огромных токах малейшее сопротивление на переходах медь–олово и наоборот, а также на зажимах дополнительных конденсаторов, дает большие потери. При приеме это неощутимо, а вот при передаче идет потеря мощности.

Я работаю в цифровых видах, в основном в JT65. На меньшую антенну на 28 МГц на 5 ваттах работал с Австралией (15000- 16000км), ЮАР (13300 км через мой дом). Потом я переделал первую рамку, в которой вместо конденсатора "бабочка" поставил вакуумный конденсатор.

И, к моему удивлению, антенна стала строиться на 28 МГц и у меня добавился диапазон 10 МГц. Хотя на этом диапазоне, по расчетам, эффективность составляет 51%, я на 20 ваттах в JT65 спокойно проводил связи с Европой. Переделка была сделана буквально 2-3 недели назад, поэтому полная картина ещё у меня не сложилась. Но ясно одно, - антенны работают. Управляю перестройкой конденсатора дистанционно, со своего рабочего места. Настройка быстрая, попадаю в резонанс с первого, максимум - со второго раза, т.е. больших неудобств при перестройке не испытываю. А при работе цифровыми видами перестраиваться по диапазону вообще не приходится.

Xочу сформулировать несколько важных критериев, которые надо учитывать при построении эффективной передающей магнитной антенны. Может, кому-то мой опыт поможет и человек не будет тратить много времени и средств, как я, тем более, что при неправильном подходе к построению магнитной рамки, может пропасть интерес к такого типа антеннам, - по себе знаю это. Но, правильно сделанная антенна, действительно работает хорошо. Подчеркиваю, что это только мои соображения, которые основываются на моем личном опыте в построении и использовании магнитных рамок. Если у кого будут какие-то замечания или дополнения или вопросы, прошу писать мне на Е-Mail.

1. Полотно антенны должно быть цельным.

2. Материал – медь или алюминий, но алюминий дает потери при передаче, около 10% больше при одинаковых размерах, чем медь (по данным различных программ для расчета магнитных антенн).

3. Форма антенны - лучше круглая.

4. Площадь полотна антенны должна быть как можно большей. Если это труба, то диаметр трубы должен быть как можно большим (как следствие, наружная площадь трубы будет большей), если же это - полоса, то ширина полосы должна быть как можно большей.

5. Полотно антенны (труба или полоса) должны подходить непосредственно к переменному конденсатору без каких-либо промежуточных вставок из проводов или полос, припаянных к полотну антенны и к конденсатору. Другими словами нужно избегать паек и "скруток" в полотне антенны, где только это только возможно. Если же необходимо что-то припаять, то лучше использовать сварку, для меди это - медную сварку, для алюминия – алюминиевую, чтобы избежать неоднородностей металла в полотне антенны.

6. Полотно антенны должно быть жестким, чтобы не было деформации, например от ветровых нагрузок.

7. Конденсатор должен быть с воздушным диэлектриком и с большим зазором между пластинами, еще лучше - вакуумный.

8. Конденсатор с электродвигателем у меня закрыты в пластмассовую коробку. Внизу коробки сделаны два небольших отверстия для слива конденсата.

9. Токосъемов на конденсаторе быть не должно, поэтому нужно использовать конденсатор типа "бабочка" у которого статорные пластины подключены к разным концам полотна антенны, а ротор ни к чему не подключен.

10. Петля связи имеет диаметр 1:5 от диаметра антенны, Надо учесть, что при уменьшении диаметра петли связи увеличивается добротность антенны, а значит и её эффективность, однако, сужается полоса пропускания антенны. В интернете находил информацию, что можно использовать петлю связи диаметром от 1:5 до 1:10 от диаметру рамки антенны. Я использую петлю Фарадея в качестве петли связи. Гамма согласование не использовал. Для петли связи я использую кабель с наружным диаметром 8–10 мм, у которого экран - это гофрированная медная трубка.

11. В непосредственной близости от антенны использую дроссель из кабеля - 6-7 витков этого же кабеля, намотанные на ферритовом кольце от отклоняющей системы телевизора.

12. Антенна “не любит“ вблизи себя металлических предметов, длинных проводов и т.п. - это может сказаться на КСВ и диаграмме направленности.

13. Высота магнитной антенны над землей для максимально достижимой эффективности ее работы должна быть не меньшей 0.1 длины волны самого низкочастотного диапазона этой антенны.

При соблюдении перечисленных выше требований к построению магнитной рамки, получится действительно хорошая антенна, пригодная, как для местных связей, так и для работы с DX.
По словам Leigh Turner VK5KLT: - “A properly designed, constructed, and sited small loop of nominal 1m diameter will equal and oftentimes outperform any antenna type except a tri-band beam on the 10m/15m/20m bands, and will at worst be within an S-point (6 dB) or so of an optimised mono-band 3 element beam that’s mounted at an appropriate height in wavelengths above ground.”
(Надлежащим образом расчитанная, сделанная и правильно размещенная магнитная антенна диаметром 1 м, будет эквивалентна и часто превосходить все типы антенн, исключая трех-диапазонный волновой канал на 10м/15м/20м диапазоны, и будет хуже (примерно на 6 db) оптимизированной однодиапазонной 3-х элементной антенны волновой канал, смонтированной на надлежащей высоте в длине волны над землей) Перевод мой.

Часть вторая.

Широкополосная приемная магнитная антенна

Во-первых, для антенны я использую центральную жилу кабеля, экран заземлён. Экран разорван вверху антенны на одинаковых расстояниях от усилителя. Зазор около 1 см.
Во-вторых, усилитель к антенне подключен через ШПТ (широкополосный трансформатор) на трансфлюкторе для уменьшения проникновения электрической составляющей.

(пересохраните схему на свой комп и она будет читаться лучше)
В-третьих, усилитель имеет два каскада, оба двухтактные (для подавления синфазной помехи) на малошумящих транзисторах J310. В первом каскаде в каждом плече стоят по два транзистора параллельно с общим затвором, шумы каскада уменьшаются в корень квадратный из количества параллельно соединённых транзисторов, т.е в 1,41 раза. Есть мысль поставить по 4 транзистора в плечо.
В-четвертых, питание должно быть как можно "чище", лучше всего - от батареи.

Вот, выкладываю схему антенны

Токи стоков всех транзисторов - 10-13 мА.
На диапазонах 18, 21, 24 и 28 МГц я дополнительно использую отключаемые два усилителя (16db, и 9db). Их можно включить по одному или оба сразу. И, что очень важно, на всех диапазонах, сразу после антенны, я использую дополнительные 3-контурные ДПФ (как в трансивере RA3AO). Дополнительные ДПФ нужны, так как антенна принимает и усиливает все станции от ДВ до ФМ диапазона. Все это попадает на вход приемника и может перегружать его, что выразится в увеличении шумов и ухудшении чувствительности, а не в её улучшении.

Сегодня провёл такой эксперимент. По периметру рамки антенны, с большим шагом навил толстый многожильный медный провод в изоляции. Общий диаметр провода около 5 мм. Вблизи усилителя установил двухсекционный конденсатор переменной ёмкости. Концы провода подключил к статорным секциям конденсатора. Получилась никуда не подключенная магнитная резонансная рамка. Диапазон такой конструкции получился таким: около минимума одной секции конденсатора - 20 м. Две секции в параллель - около максимума конденсатора - 80 м. Думаю, если добавить в параллель постоянный конденсатор, то и 160 м будет. Принимаемый сигнал вырос (по моим субъективным оценкам, - около 10 db минимально), помехоустойчивость антенны не ухудшилась, резонанс не острый, перекрывается весь диапазон 20 м, - перестраивать антенну нужно только при смене диапазона. Не трогая основной антенны, повысился коэффициент усиления, избирательность и, скорее всего, чувствительность.

Причем на всех остальных диапазонах антенна принимает так же как и без дополнительного перестраиваемого контура.

Долго думал, как поднять чувствительность антенны на верхних диапазонах и решил добавить еще одну резонансную рамку. Вот фото:

Диаметр дополнительной рамки получился маленьким. Резонанс довольно острый, строится от 20 МГц до 29 МГц. Ниже не пробовал, так как есть другая рамка, которая строится на нижних диапазонах. На большой резонансной рамке переменный конденсатор заменил на "галетник" с постоянными конденсаторами для удобства переключения диапазонов.

Доработал свою приемную антишумовую антенну – убрал дополнительные контура, перевернул антенну усилителем вверх, а снизу от разреза оплетки добавил два луча по 1,2 м многожильного провода. Длиннее провод у меня не получается добавить, ограничивают размеры балкона. По моему мнению, антенна стала работать намного лучше. Поднялась чувствительность на верхних диапазонах 21 - 28 МГц. Упали шумы. И еще одно замечание, - похоже, что ближние станции стало слышно потише, а уровень приёма дальних станций вырос. Но это субъективное мнение, т.к. антенна находится на балконе 5-го этажа 19-ти этажного дома. И, конечно же, есть влияние дома на диаграмму направленности.

Картинки по запросу UA6AGW:

Можно поэкспериментировать с длиной лучей, но у меня такой возможности нет. Возможно, можно будет поднять немного усиление в нужном диапазоне. Сейчас у меня максимум приема в районе 14 МГц."

Часть третья .

(Из письма) "Вчера на скорую руку сделал антенну на 10 м. Фото прилагаю.

Это переделанная антенна 20-ти метрового диапазона, которую я делал раньше. Длина лучей осталась прежней около 2,5 м, я уже точно не помню. а сама антенна получилась диаметром 34 - 35 см. Какой кусок кабеля остался, такой и использовал. В результате у меня получилось следующее. Оба конденсатора на максимуме емкости. В этом положении конденсаторов чуть-чуть не дотягивает до 28.076 Мгц. Т.е. резонанс
получается на 28140-28150 и выше по частоте. Лучи сначала хотел отрезать, но после этого не стал, т.к. частота уйдет еще выше. Петлю связи также поставил с 20-ти метровой антенны. В результате на 28076 КСВ получился 1,5 меньше никак не смог добиться. Но при этом решил попробовать работать в эфире. Работал на 8 ватт по показаниям
ваттметра SX-600. Я сравнивал прием этой новой антенны с моей широкополосной приемной антенной, разницы я практически не увидел. На мою антенну шум эфира чуточку поменьше, а сигналы станций практически одного уровня. Это все я смотрел на SDR. С утра начал работать в эфире на CQ. Я был удивлен, насколько активно мне отвечали на мои 8 ватт, и рапортами, которые мне давали. С утра проход был на Европу и это были все европейские станции. Рапорта, которые я получал в основном мне
давали, выше, чем я давал им. Теперь нужно поменять конденсаторы и укоротить лучи."

Но антенна был очень капризной в настройке, при малейшем ветерке лучи шевелились и это сказывалось на КСВ. Видно было как пляшет стрелка КСВ-метра в такт с колебаниями лучей антенны. И я стал дальше заниматься этой антенной с целью сделать ее параметры устойчивыми и сама антенна могла бы быть легко повторена. В итоге после длительных обсуждений антенны с Владимиром КМ6Z мы пришли к выводу что внутренный проводник с конденсатором там лишний (иногда может быть и вреден). Я закоротил внутренний проводник с оплеткой на обеих концах антенны и конденсатор С2 убрал. Антенна работала также. Потом по подсказке KM6Z я заменил петлю связи на гамма согласование. После тщательной настройки я увидел что сигнал с антенны вырос. Дальше, опять же по подсказке KM6Z я вместо гамма согласования применил Т-согласование или двойное гамма согласование и снижение выполнил двухпроводной 300 омной линией. Сигнал с антенны еще больше увеличился, дополнительные усилители не использую, т.к. они просто уже не нужны и я заметил что пропала помеха от соседнего компьютера, которая раньше постоянно присутствовала, хотя двухпроводная линия проходит рядом с этим мешающим компьютером. В итоге я перестроил свою метровую магнитную рамку, приделал лучи около 2-х метров, сделал Т-согласование. В результате получившуюся антенну я назвал – “МАГНИТНЫЙ ДИПОЛЬ”. Эта новая антенна имеет такие параметры – диаметр 1.05 метра, полотно антенны – медная труба даметром 18мм, конденсатор вакуумный 4-100 пф, лучи – 2.06м. Антенна работает в 4-х диапазонах 30м, 20м, 17м, 15м. Правла КСВ на 30 и 17 метрах подгоняю добавляя к лучам по 30 см провода. Работаю в цифровых видах JT9 и JT65 10-ю ватами отвечают все, слышат все (смотрю по PSK Reporter). Австралия(14000-16000 км), Новая Зеландия (около 13000 км) не проблема совсем. Есть связь с Таиландом через Северный Полюс (а это очень проблемные связи) на все тех же 10 ватах. Связи на 3000 – 5000 км даже при слабом прохождении провожу каждый день. Европа 5000 – 7000 практически каждый день. Даже поднадоели.

При упоминании магнитной антенны как-то сразу приходят с голову те, что на ферритовом стержне, и это отчасти правильно. Все это разновидности одного и того же типа устройств. Магнитной называется рамочная антенна, периметр которой много меньше длины волны. Всем известные зигзаг и биквадрат (почти одно и то же) также являются родственниками рассматриваемой технологии. И совсем к ним никакого отношения не имеют антенны на магнитном основании. Это просто способ крепления не более того. Магнитное основание для антенны надежно удерживает ее на крыше любого авто. Мы же говорим сегодня об особой конструкции. Вся прелесть магнитных антенн в том, что удается обеспечить сравнительно большое усиление на сравнительно длинных волнах. При этом размер магнитной антенны достаточно мал. Давайте обсудим наше заглавие и расскажем, как может быть сделана магнитная антенна своими руками.

Магнитные антенны

Из теории известно, что в колебательном контуре из катушки индуктивности и конденсатора излучения почти что не происходит. Оно все замкнуто, и волна может качаться на резонансной частоте сколь угодно долго, затухая, ввиду наличия активного сопротивления. Да, элементы контура, индуктивность и емкость, в общем-то имеют чисто реактивный (мнимый) импеданс. Причем размер зависит от частоты по довольно незамысловатому закону. Это нечто вроде произведения круговой частоты (2 П f) на значение индуктивности или емкости, соответственно. И вот при некотором значении противоположные по знаку мнимые компоненты становятся равны. В результате импеданс становится чисто активным, в идеале он равен нулю.

В действительности биения все же затухают, потому что каждый контур на практике характеризуется добротностью. Напомним, что импеданс состоит из чисто активной (действительной) части, как например, резисторы, и мнимой. К последним относятся емкости, сопротивление которых мнимое отрицательное и индуктивности с положительным мнимым сопротивлением. Теперь представим, что в контуре обкладки конденсатора начали разводить до тех пор, пока они не оказались на противоположных концах индуктивности. Это называется вибратором (диполем) Герца, и представляет собой разновидность укороченного полуволнового и прочих видов вибраторов.

Если же взять и превратить катушку в единое кольцо, то мы получаем простейшую магнитную антенну. Это очень упрощенное толкование, но примерно так оно и есть. Причем сигнал снимается с противоположной от конденсатора стороны через усилитель на полевых транзисторах. Это обеспечивает высокую чувствительность устройства. Ну, а антенна на ферритовом стержне является разновидностью магнитной, только у нее колец множество вместо одного. Свое название этот род устройств получил за высокую чувствительность именно к магнитной составляющий волны. В частности, при работе на передачу генерируется как раз она, порождая отклик электрического поля.

Максимум направленности соответствует оси стержня. Причем оба направления равноправны. Ввиду малого периметра рамочной антенны относительно длины волны сопротивление ее достаточно низкое. Это может быть не просто 1 Ом, но даже и доли Ома. Приближенно значение можно оценить по формуле:

R = 197 (U / λ) 4 Ом.

Под U понимается периметр в метрах, в тех же единицах, что и длина волны λ. Наконец, R - сопротивление излучению, не нужно путать его с активным, которое показывает тестер. Этот параметр используется при расчете усилителя для согласования нагрузки. Следовательно, для ферритовых антенн, нужно это значение помножить еще на квадрат числа витков.

Свойства магнитных антенн

А теперь посмотрим, как сделать магнитную антенну самостоятельно. Для начала следует определить длину окружности и емкость подстроечного конденсатора. Вообще-то особенности магнитной антенны таковы, что она требует согласования в обязательном порядке, но об этом как-нибудь в другой раз. Дело в том, что отличительным признаком является невероятное число вариантов проведения этой операции, так что вырисовывается отдельная тема для разговора.

Длина периметра магнитной антенны колеблется в пределах от 0,123 до 0,246 λ. Если требуется перекрыть весь этот диапазон, то нужно правильно подобрать конденсатор. В свободном пространстве и магнитной антенны диаграмма направленности в виде тора, что и можно наблюдать, расположив виток параллельно земле. Поляризация при этом будет линейная горизонтальная. То есть это отличный вариант для приема телевещания. Недостаток в том, что угол возвышения лепестка зависит от высоты подвеса. Считается, что для расстояния до Земли λ он составит 14 градусов. И это непостоянство является отрицательным качеством. А вот для радио магнитные антенны применяются достаточно часто.

Усиление составляет 1,76 дБи, что на 0,39 меньше, чем у полуволнового вибратора. Но размер последнего для этой частоты составит десятки метров - ну, куда денешь такую громадину? Выводы делайте сами. Наша магнитная антенна не так уж и велика (периметр может составлять 2 метра для длины волны 20 метров, это меньше метра в поперечнике). Для сравнения на частоте 34 МГц, с которой хорошо знакомы дальнобойщики, благодаря рациям, длина волны составляет 8,8 метра. При этом каждый знает, что хороший полуволновый вибратор вместит не каждый Камаз. И, кстати, ранее мы приводили уже описание конструкции рамочной антенны, образуемой резиновой прокладкой заднего стекла легкового автомобиля ВАЗ. При всех ее малых габаритах работало устройство достаточно хорошо.

Кстати, такая конструкция считается более прагматичной, нежели типичные штыревые антенны для авто, где настройка ведется изменением индуктивности. Потерь получается меньше. Кроме того диаграмма направленности охватывает достаточно высокие углы места, почти до вертикали. В случае со штыревой антенной этой возможности не имеется.

Но как же правильно выбрать длину окружности? С ее увеличением растет усиление. То есть она должна удовлетворять условию, приведенному выше, и быть по возможности больше. При этом не стоит забывать, что иногда нужно перекрыть несколько частот. Кроме того с ростом периметра увеличивается полоса пропускания устройства. Нужно сказать, при ширине типичного канала в 10 кГц это не так важно. Кроме того будут автоматически отсекаться соседние несущие станций вещания. В этом смысле больше вовсе не обязательно значит лучше. Не забывайте однако, что ради усиления и затевался весь сыр-бор. Таким образом, антенна выбирается по периметру максимальной с обеспечением нужной избирательности.

Теперь главный вопрос: как определить емкость? Так, чтобы вместе с индуктивностью петли они образовали резонанс по известной формуле. Что касается определения параметров контура, то для него дана такая формула:

L = 2U (ln(U/d) - 1,07) нГн;

где U и d - длина витка и его диаметр. В чем здесь подвох? U = П d, следовательно, вместо их отношения можно было бы брать натуральный логарифм числа Пи. Ошибка ли это автора, сказать не беремся. Быть может, учитывается тот факт, что настроечный конденсатор отнимает часть длины, а также и усилитель… Емкость же находим по известной индуктивности из выражения для резонанса контура:

f = 1/ 2П √LC; откуда

С = 1/ 4П 2 L f 2 .

Антенны для радио помогают значительно улучшить качество звука, избежать помех, оригинальная радиоантенна может стать интересным элементом интерьера. В последнее время стали появляться и пользоваться спросом у радиолюбителей конструкции на магнитной основе. Антенной рамочной магнитной можно с успехом заменить наружные приспособления для приема радиосигналов диапазоном от 10 до 80 метров за счет использования рамок. Их можно сооружать в любом месте города, а также в автомобиле, как альтернативу привинчивающимся к корпусу. Такие антенны очень удобны и мобильны, однако, при довольно простой конструкции их использование имеет некоторые особенности.

Устройство рамочной магнитной антенны

Обычным антеннам, помимо того, что они крепятся достаточно прочно, необходимо иметь весьма приличную массу, которую к мобильным легким устройствам радиоприема подвести просто невозможно. В современных условиях найден выход –необходимая масса попросту имитируется. Делается это с помощью соосного кабеля коаксиала, который при протяженности в половину радиоволны, взятой с коэффициентом укорачивания, выполняет роль усилителя полного сопротивления.

Центральная проводящая жила (или несколько) такого кабеля выполняется из чистой или луженой меди, что обеспечивает повышенное сопротивление постоянному электротоку, а также придает кабелю гибкость. Диэлектрический слой выполнен из вспененного гранулированного полиэтилена. Эти материалы дают стабильность качественных характеристик провода и длительный срок службы. Экранирующий слой представляет собой оплетку из медных или луженых проводков. Для повышения экранирующих свойств делается второй слой оплетки поверх ламинированной фольги из алюминия.

Современные магнитные антенны являются улучшенными вариациями рамочных аналогов. Такие приспособления представляют собой катушки на ферритовых сердцевинах. В силу повышенной магнитопроницаемости этого материала, магнитное поле электромагнитных волн в катушечных контурах генерирует очень мощный поток, более сильный, чем при отсутствующем сердечнике.

Даже небольшие катушки способны создать такую же электро-движущую силу, как и простые антенны-рамки, но больших габаритов.

Размеры сердечников составляют от 0,1 до 0,3 метра в длину и от ½ до 1 кв. см. площадью поперечного разреза. Каждая катушка, как правило, насчитывает 2-3 десятка витков медной проволоки.

Магнитные рамки для антенны из коаксиального кабеля представляют собой петли из проводникового материала, присоединенные к конденсатору. Чаще всего встречаются петли круглой формы, поскольку так устройство работает гораздо эффективней. Площадь круга меньше площади других геометрических форм, поэтому охват радиосигналов будет выше.

Обратите внимание! В магазинах для радиолюбителей продаются антенные рамки именно круглой формы. Однако существуют и треугольные, и квадратные, и даже многоугольные рамки, их применение объясняется особенностями местоположения в доме, габаритами радиоприемника и др.

Для приема сигнала в выбранном диапазоне используются петли, разные по диаметру.

В рамках как круглой, так и квадратной формы применяется нескрученный проводник (такие антенны называются одновитковыми), они отлично функционируют на диапазонах высоких частот, но при этом их габариты довольно крупные. Эти недостатки исправляет набирающая популярность у радиолюбителей, предпочитающих низкие частоты, магнитная рамочная конструкция, являющаяся многовиточной.

Дополнительная информация. Чем больше витков, тем меньше габариты антенного устройства.

Особенности эксплуатации и расположения устройства

Рамочную магнитную антенну из коаксиального кабеля используют преимущественно в тех случаях, когда необходимо снизить уровень помех и шума от соседних радиостанций, работающих в диапазоне, близком к волнам приемного устройства, однако испускаемых в другом направлении. Рамочные антенны лучше всего справляются с приемом радиоволн, распространяемых вдоль ее плоскости, а вот сигналы, идущие параллельно, они не ловят совсем. Для того чтобы достигнуть самого лучшего, без помех звучания искомой радиостанции, нужно просто вращать рамку вокруг своей оси.

Такие механизмы можно располагать и на крыше здания. Однако при этом необходимо учитывать, что такие антенны должны быть выше других (поэтому при балконной установке коэффициент полезного действия снижается). При этом на функционирование магнитных рамочных антенных устройств не влияет соседство с прочими предметами и сооружениями (вентиляционными башнями, трубами и т.п.).

Идеального расположения добиться практически невозможно, однако, лучшим будет установить антенну так, чтобы ферритовый сердечник был направлен вдаль, в таком случае радиосигнал не будет подавляться антеннами с более крупными габаритами.

Для нормальной работы рамочной антенны с коаксиальным кабелем необходимо синхронизировать сам провод и рамки. Согласованности можно достигнуть, поместив индукционные небольшие петли в большие по диаметру. Чтобы конструкция работала симметрично, в нее может быть добавлено симметрирующее трансформаторное устройство. Если симметричность радиосвязи не требуется, кабель к антенне можно подсоединять напрямую.

Для антенны необходимо обеспечить заземление, оно производится в районе прикрепления шлейфа к точке, где находится основание большой петли.

Важно! Если шлейф слегка деформировать, антенну можно будет настроить более тонко.

Коаксиальный кабель при монтаже и дальнейшей эксплуатации укорачивать не рекомендуется, поэтому желательно до приобретения антенны определить, какой длины будет достаточно.

Установить магнитную рамочную антенну в автомобиле кажется делом нехитрым, однако проводить эту манипуляцию надо очень аккуратно. Перед тем, как поместить магнитную антенну на кузов, надо очистить будущее место установки и магнитную подушку антенны от засорений, иначе лакокрасочное покрытие автомобиля может быть повреждено.

Плюсы и минусы устройства

Магнитные антенны из коаксиального кабеля имеют множество преимуществ перед другими устройствами аналогичного назначения:

• их относительно просто монтировать, и в дальнейшем они не требуют особого обслуживания во время эксплуатации;
• можно устанавливать в небольших помещениях;
• срок службы таких антенн довольно велик;
• доступность и невысокая себестоимость комплектующих, ее можно собрать самостоятельно при начальных познаниях и опыте в радиотехнике;
• могут нормально функционировать, находясь по соседству с другими радиоагрегатами, использование в качестве составляющей магнита обеспечивает отличный чистый прием в условиях городов;
• стабильность работы не зависит от сезонных и погодных условий, не требуется особых усилий для достижения четкого приема радиосигнала;
• автомобильные антенны на магнитной основе очень мобильны, т.е. установить их можно за несколько минут и на любом месте автомобиля (при этом не требуется сверления), что способно внести заметный штрих в экстерьер машины (к тому же, антенн можно поставить несколько: в разных местах, что лишний раз продемонстрирует «крутость» автовладельца);
• поскольку коэффициент усиления радиосигнала резко снижается при длинах волн меньше 1/10 протяженности периметра, то принимающая магнитная антенна помогает защитить радиоприемник от перегрузки другими радиостанциями;
• в диапазоне УКВ-ЧМ (частотной модуляции, т.е. при частотах 65,9-74 мегагерц) магнитные антенны демонстрируют наиболее качественный прием, по сравнению с аналогами или даже аппаратами наружного типа, при этом величина рамочного периметра составляет от 20 до 40 сантиметров.

Магнитные антенны с коаксиальным кабелем не лишены и некоторых недостатков:

• если приходится менять рабочий диапазон радиоприемника, нужно всё время заниматься подстройкой конденсаторов переменной емкости для более четкого приема сигнала;
• легче всего избавиться от помех и посторонних эфирных шумов, разворачивая конструкцию антенны вокруг собственной оси и одновременно меняя ее месторасположение, однако, для рамочных магнитных устройств такие манипуляции бывают затруднены из-за различной формы рамок и неудобного расположения деревянного шлейфа;
• во время передачи сигнала металлические элементы конструкции сильно разогреваются, что чревато ожогами при неосторожном обращении;
• после установки длину коаксиального кабеля менять нельзя, потому что прием может значительно ухудшиться, что объясняется сбоем параметров в колебательной системе радиоприемника;
• на круглой или квадратной рамке существует входное электросопротивление в 120 ом, тогда как на фидере оно 50 ом, поэтому для согласования приходится формировать рамку в форму прямоугольника, где короткие стороны в два раза меньше длинных, тогда сопротивление на входе также составит 50 ом, однако, конструктивно это довольно сложно и неудобно;
• чем больше реальной массы магнитной антенны заменяется коаксиальным проводом, тем ниже качество приема, поэтому антенны такого типа надо выбирать очень вдумчиво.

Сборка антенны своими руками

Магнитные рамочные антенны отличаются достаточно простой конструкцией, поэтому их возможно выполнить даже не слишком опытным радиолюбителям. Такую антенну можно собрать с использованием коаксиального кабеля любого типоразмера.

Для создания простейшего экземпляра магнитной антенны необходимы следующие составляющие элементы:

• кабель-коаксиал (соосный) марки РГ213, примерно 12 метров;
• кабель марки РГ58, около 4 метров;
• планки из сухой древесины, 2 на 4 см в количестве 4 штук;
• конденсатор емкости в 100 пикофарад, 1 штука, при этом межпластинное расстояние не должно превышать 3 мм;
• коаксиальный разъем, одна штука.

Монтаж деталей рамочной магнитной антенны-самоделки является довольно несложной процедурой. Сначала сооружается крест из деревянных реек, на него в поперечном направлении прикрепляются дощечки с пропиленными канавками. На кресте монтируется петля для создания резонанса. Она должна состоять как минимум из 4 витков провода РГ213.

Кроме того, в планках крестовины, расположенных сверху, слева и справа сверлятся две дырки, где концы кабеля будут надежно закрепляться. Между ними необходимо пропилить три канавки. Габариты крестовой основы не столь важны, а вот боковая сторона коаксиала должна составлять ровно 67 сантиметров.

Рамка должна иметь сумму длин сторон, тождественную 1/10 волновой длины нижнего фм-диапазона или необходимой коротковолновой частоты. Однако, если радиосигнал достаточно мощный, то допустим периметр, равный 1/10 волновой длины верхнего фм-канала.

Если такую самодельную антенну планируется использовать в течение длительного периода (как на открытой местности, так и в помещении), лучше всего брать кабель, выполненный из технической меди с фольговой оплеткой (иногда подходит и отполированная до блеска трубка). В противном случае со временем хорошего радиоприема ожидать не приходится.

Для окрашивания лучше всего использовать краски, содержащие окислы металлов.

Что касается магнитной рамки, то для наиболее эффективного функционирования конструкции надо, чтобы потери в его полотне были адекватны сопротивлению всей системы.

Магнитные рамочные антенны с использованием коаксиального кабеля – современный улучшенный вариант обычных рамочных антенн, которые обеспечивают отличный прием радиосигнала главным образом в фм-диапазоне и имеют повышенную мобильность. Самостоятельно вполне рабочий экземпляр можно собрать, даже не проходя особой подготовки.

Видео

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.

Таблица 1.

Примечание: антенна ML-8 имеет не только расширенную полосу пропускания, но и повышенное усиление.

В высоту такая антенна составит всего 1,50-1,60м. Что вполне приемлемо для антенны типа - ML-8 балконного варианта и даже антенны вывешенной за пределы окна жилого многоэтажного дома. А её монтажная схема будет выглядеть как на рис. 6.а.

Питание антенны может быть с емкостной или с индуктивной связью. Варианты емкостной связи изображены на рис.4 и могут быть выбраны по желанию радиолюбителя.

Наиболее бюджетный вариант, это индуктивная связь. Не стоит повторяться в схематичном изображении петли связи, она совершенно идентична как у антенн типа- ML за исключением подсчёта её периметра.

Расчёт диаметра(d) петли связи ML-8 производится из расчётного диаметра двух петель.

Длина окружности двух петель составляет после пересчёта 4,4*2 = 8,8 метров .

Рассчитаем мнимый диаметр двух петель D = 8,8м /3,14 = 2,8 метра.

Рассчитаем диаметр петли связи-d= D/5. = 2,8/5 = 0,56 метра.

Поскольку в данной конструкции мы используем двух-витковую систему, то и петля связи должна иметь тоже две петли. Скручиваем её вдвое и получаем двух-витковую петлю связи диаметром около 28см. Подбор связи с антенной осуществляется в момент уточнения КСВ в приоритетном диапазоне частот. Петля связи может иметь гальваническую связь с точкой нулевого напряжения (рис.6.а.) и располагаться ближе к ней.

Элементы настройки и индикации антенны

1. Для настройки в резонанс магнитной антенны, лучше всего использовать вакуумные конденсаторы с большим пробивным напряжением и высокой добротностью. Более того, используя редуктор и электропривод, его настройку можно осуществлять дистанционно.

Мы проектируем бюджетную балконную антенну, к которой можно подойти в любой момент, изменить её положение в пространстве, перестроить или переключить на другую частоту. Если в точки «а» и «б»(см.Рис.6.а.) вместо дефицитного и дорогого переменного конденсатора с большими зазорами подключить ёмкость изготовленную из отрезков кабеля RG-213 с погонной ёмкостью 100пФ/м, то можно моментально изменять частоту настройки, а подстроечным конденсатором С1 уточнять резонанс настройки. Кабель-конденсатор можно скрутить в рулон и герметизировать любым из способов. Такой комплект емкостей можно иметь на каждый диапазон отдельно, а включать в схему посредством обычной электрической розеткой в паре с электрической вилкой. Примерные ёмкости С1 по диапазонам указаны в таблице1.

2. Индикацию настройки антенны в резонанс лучше производить прямо на самой антенне (так нагляднее). Для этого достаточно не далеко от катушки связи на полотне 1 (точка нулевого напряжения) намотать плотно 25-30 витков провода МГТФ, а индикатор настройки со всеми его элементами герметизировать от осадков. Простейшая схема изображена на рис.7.

Электрический излучатель , это ещё один дополнительный элемент излучения. Если магнитная антенна излучает электромагнитную волну с приоритетом магнитного поля, то электрический излучатель будет выполнять функцию дополнительного излучателя электрического поля-Е. По сути он должен заменить начальную ёмкость C1, а ток стока, который ранее бесполезно проходил между закрытыми обкладками С1, теперь работает на дополнительное излучение. Теперь доля подводимой мощности дополнительно будет излучаться электрическими излучателями, рис. 6.б. Полоса пропускания увеличится до пределов полосы радиолюбительского диапазона как в ЕН-антеннах. Емкость таких излучателей невысока (12-16пФ, не более 20-ти), а потому их эффективность на низкочастотных диапазонах будет невелика. Ознакомиться с работой ЕН-антенн можно по ссылкам:

Антенна типа ML-8 радио-наблюдателя значительно упрощает конструкцию в целом. В качестве материала петель L1;L2 можно применять более дешёвые материалы, например трубу ПВХ с алюминиевым слоем внутри для прокладки водопровода диаметром 10-12мм. Вместо высоковольтных конденсаторов можно применять обычные, с малым ТКЕ, а для плавной настройки на частоту использовать сдвоенные варикапы с управлением с места радионаблюдения.

Заключение

Все мини-антенны, какими бы они небыли, по отношению к простым натяжным и классическим антеннам требуют больших трудо-затрат и слесарных навыков. Но отсутствие возможности устанавливать наружные антенны радиолюбители вынуждены пользоваться как ЕН, так ML-антеннами. Конструктив двух-витковых Magnetic Loop удобен тем, что все элементы настройки, согласования и индикации можно разместить в одном герметичном корпусе. Саму антенну от привередливых соседей всегда можно спрятать одним из доступных способов, отличный пример на фото ниже.