Стационарная антенна Magnetic Loop
А.КРОХМАЛЬ, RM4HM.
www.rm4hm.jimdo.com
Известно, что основными положительными свойствами антенны Magnetic Loop (укороченной рамочной антенны) являются малые линейные размеры, достатоно высокая эффективность излучения (почти как у полуволнового диполя), некритичность к высоте размещения относительно земли, возможность работы в нескольких диапазонах. Кроме того, такая антенна является отличным входным преселектором для приемного тракта, имеет низкие шумы в режиме приема, а в режиме передачи при использовании магнитной антенны снижается вероятность появления TVI.
Уже отмечалось, что магнитную антенну можно применять в нескольких любительских диапазонах. Однако с одновитковой антенной охватить весь KB диапазон не получится — на самых низкочастотных диапазонах КПД антенны будет очень низким. Принимать она, конечно, будет, т.к. запас усиления современного трансивера компенсирует низкий КПД антенны. Но для работы на передачу антенна, увы, — "нулевая"! Максимальный КПД антенна имеет при периметре вибратора, близком к 0.22λ. С уменьшением периметра снижается КПД.
Программа Loopcalc, которую разработал американский радиолюбитель Glenn C.Sperry, KI6GD, позволяет рассчитать ожидаемый КПД магнитной антенны. В табл.1 приведены результаты расчета КПД магнитных антенн различного диаметра, для настройки которых применяется вакуумный КПЕ емкостью 10—350 пФ.
В любительских условиях проблематично изготовить магнитную антенну диаметром более 2 м, поэтому расчет антенн на самые низко>частотные диапазоны не проводился. КПД дан по отношению к полуволновому диполю при условии изготовления вибратора магнитной антенны из медной трубки диаметром 15 мм.
Применив КПЕ с меньшей начальной емкостью, можно увеличить периметр вибратора, что приведет к повышению КПД. Кроме того, КПД имеет зависимость от диаметра излучающего вибратора и материала, из которого он сделан. Использование вибратора из металла с достаточно высоким удельным сопротивлением (алюминия, стали и т.д.) приводит к резкому снижению КПД антенны.
К сожалению, программа Loopcalc оставляет без ответов три очень интересных и немаловажных вопроса:
1. Как размещать антенну в пространстве?
2. Какую схему питания антенны предпочесть?
3. На какой высоте следует располагать антенну?
На рис.1 а—в показаны основные три типа многодиапазонных магнитных антенн, согласование которых с фидером осуществляется с помощью петли связи. Можно предположить, что различная схемотехника антенн внесет изменения в их рабочие свойства даже при одинаковой высоте установки и линейных размерах антенны.
Единственная широко доступная программа, которая могла дать ответы на поставленные вопросы, — MMANA-GAL. Во всех трех примерах антенн, показанных на рис.1, рассматривался квадратный излучатель периметром 5 м на высоте 2 м от земли, работающий в диапазонах 40, 30 и 20 м.
Результаты моделирования (табл.2—4) показали, что, исходя из критерия "цена/качество", для достижения оптимума вертикального угла излучения магнитной антенны она должна находиться на высоте в 0,1—0,15λ самого высокочастотного диапазона.
Значения КСВ в этих расчетах не столь важны. Меняя в модели периметр петли связи, можно добиться гораздо меньших значений КСВ, но усиление и диаграмма направленности антенны при этом практически не изменятся.
Из таблиц видно, что горизонтально расположенная магнитная антенна (рис. 1а) имеет максимальные потери. Потери в земле у этой антенны уменьшаются с увеличением высоты размещения. Устанавливать такую антенну для стационарной работы нет смысла. Однако, благодаря тому что такая антенна имеет идеальную круговую диаграмму направленности, она годится в качестве походной (рис.2) на коротковолновые ВЧ диапазоны.
Антенна с "верхним" питанием (рис. 1б) имеет более низкие потери, но меньше подходит для дальних радиосвязей. Угол ее излучения сильнее "задран вверх" по сравнению с антенной, в которой применяется "нижняя" схема питания (рис.1 в). Проигрыш по усилению незначителен.
Из результатов моделирования следует, что, конструируя стационарный вариант магнитной антенны, предпочтение следует отдать вертикальному расположению относительно земли, размещая КПЕ в верхней точке антенны (рис.3).
Когда же речь идет об антенне для диапазонов 80 и 160 м, то технически более правильным решением будет применение схемы "верхнего" питания с установкой КПЕ в нижней точке вибратора. Это облегчит доступ к нему и последующее техническое обслуживание.
Построив антенну с двухвитковым вибратором (рис.4), можно перекрыть любительские диапазоны от 40 до 10 м; на ВЧ диапазонах один виток шунтируется управляемым дистанционно реле (такую антенну предложил В.А.Пахомов, UA3AO).
К сожалению, при том же периметре вибратора усиление двухвитковой антенны на самом низкочастотном диапазоне уступает одновитковой. В табл.5 приведены результаты вычислений параметров антенны в программе MMANA-GAL.
Усиление антенны ушло далеко в отрицательную область, и она даже в теории проигрывает полуволновому диполю фактически балл. Весьма вероятно, что на практике данная величина вырастет в силу действия неучтенных программой параметров. Физика явления понятна — меньшая охватываемая антенной площадь ведет к меньшему усилению. Уменьшение КПД антенны — это своеобразная плата за компактные размеры и широкий рабочий диапазон.
Практические советы по изготовлению магнитной антенны
Магнитная антенна является укороченной. Действующие напряжения в вибраторе и напряженность электромагнитного поля, создаваемого антенной, весьма значительны. Чтобы избежать эффекта шунтирования антенны, механическая конструкция должна быть выполнена из диэлектрических материалов. Этому требованию отвечают стеклопластиковые рыболовные удилища. К сожалению, механическая прочность удилищ при долговременном воздействии атмосферных, ветровых и антропогенных нагрузок невелика. Следует усилить колена, обернув их минимум двумя слоями любой ткани, пропитанной эпоксидной смолой (эпоксидным клеем). Эпоксидная смола под воздействием УФ-излучения Солнца разлагается. Слой ткани с эпоксидной смолой следует покрасить любой морозо- и водостойкой краской. Многие краски проводят ВЧ токи, поэтому нельзя окрашивать конечные точки фиксации вибратора к несущей конструкции!
Вакуумный КПЕ имеет определенный вес. При диаметре излучателя 15—22 мм и толщине стенок до 1 мм механической прочности трубы будет недостаточно для долговременного удержания конденсатора. Необходимо продумать и применить в конструкции дополнительные штанги (рис.5) для разгрузки вибратора от веса КПЕ.
Дистанционный привод настройки КПЕ удобно осуществить двигателем РД-09 от аппаратуры КИП с коэффициентом редукции не менее 1/478 (один оборот вала редуктора за 42 с). Дело в том, что минимум КСВ наступает очень резко, и его легко "пролететь", если применять более скоростной двигатель. Крепление двигателя на несущей мачте показано на фотографиях. Там же помещен рисунок с реверсивной схемой управления, в которой задействовано электродинамическое торможение (рис.6). Электродинамическое торможение необходимо для ликвидации инерционного хода вала редуктора, которое изменит оптимальное значение емкости КПЕ.
Вал КПЕ соединяется с валом двигателя диэлектрической штангой. Следует смонтировать КПЕ точно напротив двигателя. Небольшие неточности в соосности КПЕ и двигателя устраняет механический демпфер. Это приспособление крепится на валу двигателя.
Конструктивно петля связи — это один виток медной трубки. Во многих руководствах диаметр витка рекомендуют делать 1/5 от диаметра вибратора. Разумнее поступить иначе и предусмотреть возможность изменения диаметра петли. Эти действия могут потребоваться при настройке многодиапазонной антенны с оптимизацией среднего значения КСВ по диапазонам.
1. http://www.magloop.jimdo.com.
2. К.Ротхаммель. Антенны. Т.2. 11-е издание (исправленное).
РЛ КВ и УКВ 5/2012