Рамочные магнитные антенны

Новости

Бюллетень Си-Би №2 Февраль 1996 г

Автор статьи Владислав "Ребус" (3А13277)

Магнитными антеннами называют электрически малые (размеры антенны не превышают l/4) рамочные антенны, в ближней зоне которых преобладает магнитная компонента электромагнитного поля [1]. Несмотря на то, что эти антенны подробно описывались в литературе ранее [2,3,4], среди радиолюбителей и пользователей Си-Би диапазона бытует много легенд и противоречивой информации об их достоинствах. Так, например, многие убеждены, что магнитные антенны значительно менее восприимчивы к помехам, в частности от линий электропередач.

В последнее время среди пользователей Си-Би наблюдается всплеск интереса к этим антеннам. Это побудило редакцию подготовить данную статью, собрав в нее основные сведения из опубликованных ранее работ, и провести эксперименты по практической проверке характеристик нескольких конструкций.

Наиболее обстоятельной и полной работой, посвященной сравнению малогабаритных штыревых и магнитных антенн, является статья А. Гречихина [2].

Эквивалентная схема магнитной антенны приведена на рис.1, где использованы обозначения:

Eг- ЭДС генератора,

Rг- внутренее сопротивление генератора,

Rс- сопротивление потерь цепи согласования,

Rа- сопротивление потерь антенны,

Rи- сопротивление излучения,

Xс- реактивное сопротивление цепи согласования,

Xа- реактивное сопротивление антенны,

D- диаметр рамки,

d- диаметр проводника рамки,

Cс- емкость цепи согласования.

Сопротивление излучения рамочной антенны с периметром l<<l   равно     =20p2(l/l)4 .

Излучаемая мощность равна Pи= Ia2Rи,

где Ia - эффективное значение тока антенны в точках подключения.

Сопротивление потерь антенны с учетом скин-эффекта равно 

Ra= 1,44(l/l) 

где  r - удельное сопротивление материала антенны, rm - удельное сопротивление меди. Элемент согласования обеспечивает последовательный резонанс в антенном контуре (Xa+Xc=0). Добротность цепи согласования рамочных антенн реально составляет Qc=1000...2000.

Реактивное сопротивление рамки

  Xa=377 (l/l)[ln(2,54l/d)-2].

Сопротивление потерь в элементах согласования

Rc= | Xc | /Qc.

Эффективность антенны, равная отношению излучаемой мощности к отбираемой от генератора, определяется выражением (для полноразмерного полуволнового вибратора Э1):

Э=Rи/(Rи+Ra+Rc).

Результаты расчета параметров двух вариантов рамочных антенн, проверенных практически, сведены в таблицу.

Вариант антенны

№1

№2

d, мм

10

3

l/l

0,136

0,09

, Ом

0,069

0,013

Ra, Ом

0,06

0,126

Xa, Ом

202

160

Rc, Ом

0,2

0,16

Э

0,186

0,043

Расчеты показывают, что эффективность укороченного штыря длиной l и рамки, диаметр которой равен l, примерно одинакова и при l=0,1l составляет 4-20% от эффективности полноразмерного полуволнового вибратора. Однако есть между ними и различия. Магнитная рамка, в отличие от вертикального штыря, является направленной антенной. Ее диаграмма имеет форму восьмерки и показана на рис.2.

Как видно из рисунка, антенна имеет широкий максимум (около 90 0 от плоскости рамки по уровню -3 дБ) и острый минимум в направлениях, перпендикулярных к плоскости рамки. Это позволяет, поворачивая рамку, эффективно ослаблять сигнал помехи, приходящий с определенного направления, не совпадающего с направлением прихода полезного сигнала. Хотя рамка принимает сигналы одинаково с двух направлений (спереди и сзади), ее направленность иногда дает весьма заметный эффект. При испытании рамки №1, установленной на мачте высотой всего 2м над уровнем крыши девятиэтажного дома, автор устойчиво получал оценки московских корреспондентов на 2 балла ниже, чем при работе на антенну GP длиной λ/2, поднятой на высоту 7 м над уровнем крыши. Однако при связи Москва - Ступино на антенну GP сигнал корреспондента не принимался вовсе, а на рамку прием был возможен с 90% разборчивостью, что можно объяснить меньшим уровнем шумов, собираемых рамочной антенной.

Конструкции, проверенные практически

Конструкция №1 была изготовлена из куска магистрального кабеля типа РК50-7-59С. Он имеет цетральную медную жилу диаметром 3,5 мм и внешний экран в виде сплошной медной гофрированной трубки диаметром 9 мм, изолированной пластмассовой оболочкой. Из куска такого кабеля длиной 1,5 м была изготовлена рамка диаметром 0,5 м. В качестве конденсатора C емкостью около 20 пФ использовался отрезок 50-омного кабеля длиной около 20 см, разомкнутый на конце (для настройки антенны в резонанс кабель постепенно укорачивали, откусывая от его конца по 5 мм и проверяя частоту резонанса). При подходе к нужной настройке последние 5-10 мм удаляется только внешняя оплетка, а изоляция на центральной жиле сохраняется. Это помогает увеличить его прочность к пробою, т.к. дуга обычно возникает на конце кабеля.

Кабель-конденсатор был помещен в полистироловую коробку для защиты от осадков. Окончательную точную подстройку резонансной частоты производили, наклеивая алюминиевую фольгу на внешнюю поверхность коробки; при этом желательно разместить рамку в том положении, в котором она будет использоваться, т.к. предметы, расположенные в радиусе 0,5 м от емкости, влияют на частоту резонанса. Попытка использовать в качестве конденсатора пластины из фольгированного стеклотекстолита не увенчалась успехом, поскольку его добротность оказалась слишком низкой, что привело к резкому снижению эффективности антенны.

Петля связи была изготовлена из 50-омного кабеля, который использовался в качестве фидера. На конце кабеля его центральная жила соединялаль с оплеткой, на расстоянии 25 см от конца кабеля на длине 10 мм с него удалялась внешняя изоляция и оплетка, на расстоянии 50 см от конца на длине 10 мм удалялась внешняя изоляция; затем конец кабеля припаивался к обнаженной внешней оплетке. Петля связи прикреплялась к средней части рамки изоляционной лентой так, чтобы их плоскости совпадали. Схема рамки №1 приведена на рис.3.

Рамка №2 изготавливалась из жесткого коаксиального кабеля типа РК50-2-25, внешний проводник которого выполнен в виде сплошной медной трубки диаметром 3 мм. Длина рамки - 1 м, длина петли связи, выполненной из того же кабеля, равнялась 25 см. Схема подключения конденсатора и подводящего фидера показана на рис.3б. Петля связи припаивалась непосредственно к рамке. Конденсатор C присоединялся к рамке между внешним проводником кабеля рамки с одной стороны и внутренней жилой с другой стороны. Такое включение позволяет увеличить емкость конденсатора C до 80 пФ, т.к. он включается в контур последовательно с емкостью кабеля рамки, равной примерно 100 пФ.

Частотные характеристики экспериментальных антенн приведены на рис.3, рис.4.

 

Одним из преимуществ рамочной магнитной антенны считается ее малая чувствительность к влиянию близко расположенных предметов с диэлектрическими потерями (зеленые деревья, железобетонные строительные конструкции, тело оператора), поскольку в ближней зоне эта антенна возбуждает преимущественно магнитную компоненту электромагнитного поля.

Действительно, при работе на рамку, установленную на столе на девятом этаже блочного дома, автор наблюдал, что она одинаково эффективно работала как в направлении в сторону окна, так и в противоположную сторону (сквозь железобетонные стены дома). Существенной разницы не было замечено также при сравнении эффективности работы актенны из комнаты и с балкона. Аналогичные сравнения для коротких спиральных штыревых антенн дали очень заметную разницу.

С рамкой №1, установленной на балконе девятого этажа в районе ст. Метро Варшавская, при мощности передатчика 10 Вт были проведены связи:

М. Бауманская - 2б, М. Павелецкая - 6б, М. Пражская - 4,5б, М. Старая площадь - 5б, М. Беговая - 5б, Солнцево - 5б, Орехово-Борисово - 9б+14дБ, Химки - 5б, Одинцово - 4,5б, Строгино - 4б.

Однако надежда сделать эффективную магнитную антенну для портативной станции, которую можно было бы носить под одеждой, не оправдалась. Тело оператора вызывало такую сильную расстройку резонансной частоты высокодобротной рамочной антенны (даже для вариантов с электрически экранированной рамкой), что она полностью теряла свою эффективность.

Эффективность антенны тем выше, чем выше ее добротность, но при этом уменьшается ее полоса пропускания. В рамках высокой добротности текут очень большие токи и на конденсаторе развиваются высокие напряжения. Поэтому все соединения необходимо делать пайкой, конденсатор выбирать воздушный с зазорами не менее 2 мм (лучше использовать конденсатор типа “бабочка”).

Настройка рамки на нужную частоту могут вызвать трудности, связанные с ее узкой полосой. Проще всего, конечно, настраивать ее по генератору качающейся частоты. Если такой возможности нет, можно подключить ее к трансиверу и подстраивать конденсатор по максимуму шумов приемника в режиме АМ. Окончательную настройку проводят по максимуму поля с помощью неоновой лампочки или лампы дневного света, размещаемым вблизи конденсатора C, по максимуму свечения в режиме передачи.

Нечувствительность рамочных антенн к помехам, как это отмечалось ранее [2], сильно преувеличена и обеспечивается, в основном, за счет их направленности.

Таким образом, высокодобротные малогабаритные рамочные антенны, уступая полноразмерному полуволновому вибратору по полосе пропускания на порядок и по эффективности работы на излучение в 10 - 20 раз, при работе на прием в некоторых случаях могут превосходить их (принимаемый сигнал также падает в 10-20 раз по мощности, но зато шумы уменьшаются значительно больше).

Малые размеры и пониженная чувствительнлсть к окружению делает рамочные антенны особенно удобными для комнатных и балконных применений.

Литература

1. Щелкунов с., Фриис Г. Антенны.- М. : Сов. радио, 1950.

2. Гречихин А. Электрически малые антенны: возможности и заблуждения.- Радио, 1992, №11, с.8-10.

3. Малогабаритная КВ антенна.- Радио, 1989, №7.

4. Андрианов В. Широкополосная рамочная антенна.- Радио, 1991, №1, с.54-56.



До 16 июля мы снизили цены на популярные модели

Количество товара по акции ограничено, наличие товара указано на сайте.

MegaJet MJ-650
Диапазон CB 27 Мгц,
240 каналов.
Мощность 8 Вт.
Шумодав, нули-пятёрки.
5700 руб.
4100 руб.
Автомобильная антенна Optim Hustler 1c/100
Диапазон: CB (27 МГц)
Магнитное основание
Длина антенны: 150 см
1280 руб.
999 руб.
Автомобильная рация Optim Apollo v 3.0
Диапазон: CB (27 МГц).
Мощность: 6 Вт.
Удобное управление
Не требует установки
6220 руб.
5450 руб.
Автомобильная рация MegaJet MJ-850
Диапазон: CB (27 МГц)
320 (360) каналов
Мощность 18 Вт
Корейская сборка
6690 руб.
4400 руб.

 


ВходРегистрация