Хорошие результаты, полученные с антенной «Magnetic Loop», побудили I1ARZ попытаться построить антенну на НЧ-диапазоны. Вначале он намеревался построить петлевую антенну круглой формы (рис.1) с периметром около 10,5 м, что составляет четверть длины волны на диапазоне 7 МГц. Для этой цели была изготовлена петля из медной трубки диаметром 40 мм с тонкими стенками Однако в ходе работ выяснилось, что сгибание и разгибание трубок таких размеров - достаточно трудное дело, и форма антенны была изменена с круглой на квадратную. Некоторое снижение эффективности при этом компенсируется значительным упрощением изготовления.
Для диапазона 1,8…7,2 МГц можно использовать медную трубку диаметром 25…40 мм. Можно также использовать дюралевые трубки, однако не у всех есть возможность сварки в аргоне. После сборки вся антенная рамка покрывается несколькими слоями защитного лака.
Для правильной работы антенны очень важен настроечный конденсатор. Он должен быть хорошего качества, с большим промежутком между пластинами Использован вакуумный конденсатор емкостью 7…1000 пФ с допустимым напряжением 7 кВ Он выдерживает мощность в антенне более 100 Вт, что вполне достаточно. В том случае, когда используется диапазон 160 м, емкость должна достигать 1600 пФ.
Петля квадратной формы собирается из четырех медных трубок длиной 2,5 м и диаметром 40 мм Трубки соединяются вместе с помощью четырех водопроводных колен из меди. Трубки привариваются к коленам. Противоположные стороны рамки должны быть параллельны друг другу. В верхней трубке посередине вырезается кусок длиной в 100 мм, в вырез вставляется тефлоновый шпиндель и закрепляется с обеих сторон хомутиками и винтами. Диагональ петли составляет 3,4 м, полная длина - 10,67 м (вместе с медными пластинками шириной 50 мм, к которым прикреплены концы трубки, обеспечивающими подключение настроечного конденсатора). Для обеспечения надежного контакта пластинки после их прикрепления необходимо приварить к концам трубки.
На рис.2 приведена конструкция рамки вместе с основанием и несущей мачтой. Мачта должна быть диэлектрической, например из стеклволокон- ного удилища. Можно использовать также пластмассовую трубку. В нижней части рамка фиксируется на несущей мачте стальными хомутиками (рис.3).
Для упрочнения нижнего горизонтального куска рамки на него натягивается на длине примерно 300 мм нагретая медная трубка несколько большего диаметра. Мотор, вращающий конденсатор, укрепляется на стальной трубе на высоте над крышей около 2 м. Для придания жесткости всей конструкции ниже мотора устанавливается не менее трех растяжек.
Проще всего согласовать антенную рамку и линию питания с помощью витка коаксиального кабеля типа RG8 или RG213 Диаметр витка определяется опытным путем (примерно около 0,5 м). Подключение внутренней жилы и оболочки кабеля осуществляется в соответствии с рис.4
После того как согласующий виток настроен на наименьший КСВ, для защиты от осадков поверх места подключения натягивается гофрированная пластмассовая трубка. На конце согласующего витка нужно установить коаксиальный разъем. В месте нижнего крепления согласующего витка под крепежный дюралюминиевый хомут продевается кусок медной ленты, которая после загибания припаивается к экранирующей оболочке кабеля. Она нужна для хорошего электрического контакта с заземленной дюралевой трубкой (рис.5). В верхней части согласующий виток крепится к диэлектрической мачте резиновыми хомутиками.
Если антенна располагается на крыше, для дистанционного управления настроечного конденсатора необходим блок привода мотора постоянного тока. Для этой цели годится какой-либо магнитофонный мотор небольших размеров с небольшим редуктором. Мотор связывается с осью конденсатора изолирующим сцеплением или пластмассовой шестерней Ось конденсатора необходимо также механически присоединить к потенциометру 22 кОм группы А С помощью этого потенциометра внизу определяется положение настроечного конденсатора. Полная схема блока управления показана на рис.6.
Естественно, потенциометр необходимо расположить с той же стороны, что и мотор, соединив их двумя пластмассовыми шестернями или фрикционной передачей. Весь блок настройки размещается в герметично закрывающемся пластмассовом корпусе (или трубке). Кабель к мотору и провода от потенциометра прокладываются вдоль стекло- волоконной несущей мачты. В случае, если антенна размещается недалеко от радиостанции (например на балконе), настройку можно осуществлять непосредственно с помощью длинного валика на изолированной ручке.
Размещение настроечного конденсатора
Как уже упоминалось, неподвижная и подвижная части настроечного конденсатора присоединяются к верхней, разрезанной части рамки с помощью двух медных пластин толщиной около 0,5 мм, шириной 50 мм и длиной 300 мм каждая. Настроечный конденсатор размещается в пластмассовой трубке, которая крепится к вертикальной стекловолоконной несущей мачте (рис.7). Верхняя часть рамки соединяется тефлоновым шпинделем и крепится к несущему стекловолоконному столбу с помощью U-образных болтов.
Настройка
Настройте TRX на эквивалент нагрузки, переключите выход TRX на антенну. Антенный тюнер в этом опыте не используйте. При пониженной выходной мощности начинайте вращать конденсатор до получения минимума КСВ Если достичь низкого КСВ таким способом не удается, попытайтесь несколько деформировать согласующий виток. Если КСВ не улучшается, виток необходимо или удлинить, или укоротить. Проявив немного терпения, можно в диапазонах 1,8…7 МГц достичь КСВ 1… 1,5 Достигнуты следующие значения КСВ 1,5 на 40 м, 1,2 на 80 м и 1,1 на 160 м.
Результаты
Настройка антенны очень «острая». В диапазоне 160 м полоса пропускания антенны составляет единицы килогерц. Диаграмма направленности (ДН) - почти круговая. На рис.8 приведены ДН в горизонтальной плоскости для различных вертикальных углов излучения.
Наилучшие результаты антенна дает в диапазоне 40 м. При мощности 50 Вт автор установил немало связей с восточным побережьем США с рапортом 59. На расстояниях до 500 км днем рапорты были 59+20…25 дБ. Антенна также очень хороша на прием, поскольку достаточно «острая» настройка уменьшает шумы и сигналы работающих рядом сильных станций Антенна работает удивительно хорошо и в диапазоне 160 м. С первых попыток была установлена связь на расстоянии свыше 500 км с рапортом 59+20 дБ. С принципиальной точки зрения, в этом диапазоне эффективность антенны гораздо ниже, чем в диапазоне 40 м (см.таблицу).
Заключительные замечания
- Антенну необходимо размещать по возможности дальше от ботьших металлических предметов, таких как ограды, металлические столбы, водосточные трубы и т.д.
- Антенну не рекомендуется размещать внутри помещений, поскольку рамка антенны при передаче излучает сильное магнитное поле, которое вредно для здоровья.
- При работе с мощностями выше 100 Вт рамка нагревается под действием большого тока.
- На самом верхнем диапазоне поляризация антенны горизонтальная.
В таблице выше приведены основные электрические параметры антенны в указанных диапазонах. Аналогичную антенну можно построить и на более высокочастотные диапазоны, соответственно уменьшая размеры рамки и емкость настроечного конденсатора.
Петлевой вибратор, который анализировался ранее, не является единственным вариантом петлевой антенны. К этой группе антенн принадлежит также большое количество других вариантов антенн, которые и будут рассмотрены в данном параграфе.
Обратимся к рис. 5.118а , на котором показана трансформация петлевого вибратора (сплошная линия) в квадрат (пунктирная линия) со стороной λ/4 . Полученная таким образом антенна получила название антенны «квадратный ромб» , а иная конфигурация той же антенны (рис. 5.118г ) типа «квадрат» .
В этих антеннах точки В и D приближаются друг к другу и расстояние между ними составляет 0,35λ для антенны «квадратный ромб» и 0,25λ для антенны типа «квадрат». Одновременно точки А и С удаляются друг от друга.
В антенне типа «квадрат», показанной на рис. 5.118г , токи, протекающие по горизонтальным проводам антенны, синфазны, а токи, протекающие по вертикальным проводам, противофазны. Аналогичная картина наблюдается и в антенне «квадратный ромб». Чтобы убедиться в этом, достаточно разложить на вертикальные и горизонтальные составляющие токи, протекающие по всем четырем сторонам антенны (рис. 5.118е ).
Изменение точек подключения питания антенны (рис. 5.118в , д ) приводит к изменению поляризации излучения антенны; антенна излучает вертикально поляризованную волну.
Различные схемы питания антенны показаны на рис. 5.119. Отметим, что в точке С , находящейся «напротив» точки подключения питания А , появляется узел напряжения. Это свойство антенны позволяет соединить заземление мачты именно с этой точкой антенны, что естественно, в значительной мере упрощает конструкцию антенны в целом. Одновременно отметим, что точки В и D имеют наибольший потенциал, и поэтому при креплении несущих элементов антенны к этим точкам требуются хорошие изоляторы.
Наиболее эффективно излучающая часть антенны типа «квадрат», т. е. та часть антенны, по которой протекают наибольшие токи, имеет длину около 0,25λ . Некоторое укорочение излучающей части антенны, приводящее к снижению уровня излученного поля, в избытке компенсируется наличием противоположной синфазно возбужденной части антенны, вследствие чего результирующее усиление на 1 дБ больше, чем усиление полуволнового диполя.
Направленные свойства антенны типа «квадрат» в не очень большой степени зависят от формы антенны. В плоскости XY диаграмма направленности антенны близка к диаграмме полуволнового диполя, т. е. имеет вид восьмерки. В экваториальной плоскости диаграмма имеет вид эллипса, большая ось которого нормальна к плоскости антенны. Отметим также, что, кроме главного лепестка в диаграмме излучения присутствуют боковые лепестки с небольшим уровнем излучения, которые имеют другую, ортогональную поляризацию излучения.
Достаточно интересным является сопоставление диаграмм направленности дипольных антенн и различных модификаций петлевых антенн, расположенных на небольшой высоте над землей. На рис. 5.120 приведены такие диаграммы, полученные при условии, что ни одна точка антенны не расположена над землей на высоте большей, чем λ/4 . На этих рисунках сплошные линии соответствуют горизонтальной поляризации, а пунктирные - вертикальной. Интересно отметить, что при использовании петлевой антенны в форме «дельта» (форма антенны напоминает греческую букву дельта - Δ ) наблюдается большой уровень излучения вертикально поляризованной волны под сравнительно малыми углами относительно горизонта (рис. 5.120и , к ), что благоприятно для организации длинноволновой радиосвязи.
Показанные на рис. 5.120 варианты петлевых антенн значительно расширяют возможности использования этих антенн по сравнению с антеннами, схемы которых приведены на рис. 5.118 и 5.119. Можно сказать, что свойства практически всех вариантов петлевых антенн не изменяются в больших пределах, если периметр антенны c = λ . Здесь же отметим, что петлевая антенна, периметр которой равен длине волны, является основным вариантом реализации магнитного диполя (см. также § 5.7).
Теперь рассмотрим вопрос с соотношении физической и электрической длин петлевых антенн. Если раньше при анализе дипольных антенн мерой соотношения двух указанных длин являлся коэффициент укорочения, то для этой группы антенн необходимо ввести понятие коэффициента удлинения К .
Значение коэффициента удлинения зависит от отношения c/d , где с - периметр антенны, d - диаметр провода, из которого выполнена антенна.
Коэффициент удлинения $$\begin{equation}K=1+\frac{0,4}{W_s}+\frac{3}{W_s^2}\end{equation}\tag{5.13}$$ где коэффициент W S задается выражением $$\begin{equation}W_s=2\ln\left(2,54\frac{c}{d}\right)\end{equation}\tag{5.14}$$
Вместо вычисления коэффициента удлинения по приведенным формулам можно определить значение К с помощью графиков на рис. 5.121. Сначала для заданного отношения c/d на графике рис. 5.121а отыскивают значение коэффициента W S , а по графику на рис. 5.121б определяют значение К .
С помощью графиков, приведенных на рис. 5.122, можно также определить усиление антенны (относительно усиления полуволнового диполя).
Изобретение относится к антенной технике, а именно к приемным активным петлевым антеннам, и может найти применение в радиосвязи, радионавигации, радиопеленгации, телевидении и радиовещании. Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, - расширение функциональных возможностей активной петлевой антенны. Сущность изобретения состоит в том, что наводимые в петлях синфазные и противофазные относительно концов петель токи обрабатываются на высокой частоте для формирования на выходах антенны одновременно круговой диаграммы направленности и диаграммы направленности в форме восьмерки. При этом синфазная составляющая сигнала пропорциональна составляющей вектора электрического поля, а противофазная составляющая - составляющей вектора магнитного поля приходящей электромагнитной волны. Предлагаются два варианта антенны, первый из которых может использоваться как самостоятельная антенна и как составная часть более сложной антенны второго варианта. Первый вариант антенны содержит в своем составе одну проводящую петлю и электрический противовес петли, второй - пять идентичных петель и один противовес. Второй вариант антенны позволяет определять одновременно и независимо три составляющие вектора электрического поля и три составляющие вектора магнитного поля приходящей электромагнитной волны. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к антенной технике, а именно к приемным активным петлевым антеннам, и может найти применение в радиосвязи, радионавигации, радиопеленгации, телевидении и радиовещании. Известна широкополосная активная петлевая антенна , содержащая две идентичные проводниковые петли, расположенные в одной плоскости и ориентированные концами навстречу друг другу, электрические нагрузки, согласующий трансформатор и широкополосный усилитель. Концы повышающей обмотки трансформатора соединены с нижними концами петель, концы понижающей обмотки - с верхними концами петель и с входом усилителя, выход которого образует выход антенны. Электрические нагрузки указанных петель могут быть распределенными омическими или сосредоточенными индуктивно-емкостными. Антенна работает в полосе частот с коэффициентом перекрытия 4:1. Широкополосный усилитель имеет коэффициент усиления 25 дБ. Одним из недостатков данной антенны является низкая помехозащищенность, обусловленная ее круговой диаграммой направленности. Другой ее недостаток заключается в использовании согласующего трансформатора, связь между обмотками которого осуществляется через магнитопровод. Такие трансформаторы обладают значительными потерями на высоких частотах. Наиболее близкой к заявляемому устройству по наибольшему числу существенных признаков является петлевая антенна , содержащая две идентичные проводниковые петли, расположенные в одной плоскости и ориентированные своими концами навстречу друг другу, с периметром каждой петли, не превышающим четверти минимальной рабочей длины волны, два суммирующих устройства, два конденсатора, два резистора, входной согласующий трансформатор и усилитель. Входы первого и второго суммирующих устройств соединены с концами первой и второй петель соответственно. Первый и второй резисторы соединены последовательно и подключены к верхним концам петель. Первый и второй конденсаторы соединены последовательно и подключены к выходам первого и второго суммирующих устройств. Концы первичной обмотки согласующего трансформатора соединены с нижними концами первой и второй петель. Средняя точка первичной обмотки согласующего трансформатора соединена с местом соединения резисторов между собой и с местом соединения конденсаторов между собой. Выходная обмотка согласующего трансформатора подключена к входу усилителя. Выход усилителя является выходом антенны. При оптимальном соотношении противофазного и синфазного токов, наводимых в петлях падающей электромагнитной волной, обеспечивается кардиоидная диаграмма направленности. Необходимое соотношение токов обеспечивается выбором определенных геометрических размеров петель и величин сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов. Одним из недостатков прототипа является низкая чувствительность в низкочастотной части рабочего диапазона, обусловленная использованием резисторов для формирования кардиоидной диаграммы направленности. Другим недостатком прототипа является использование входного трансформатора с обмотками, связь между которыми осуществляется через магнитопровод. Это снижает чувствительность антенны на верхних частотах. Антенна принимает электромагнитную волну одной поляризации и имеет один выход, что ограничивает ее функциональные возможности. Заявляемое техническое решение направлено на расширение функциональных возможностей активной петлевой антенны (возможность иметь от двух до шести независимых выходов с различными диаграммами направленности и возможность определять одновременно три составляющие вектора электрического поля и три составляющие вектора магнитного поля падающей электромагнитной волны). Это достигается тем, что в активную петлевую антенну, содержащую проводниковую петлю с периметром, не превышающим четверти минимальной рабочей длины волны, суммирующее устройство, соединенное своими входами с концами петли, и усилитель, выход которого образует выход антенны, дополнительно введены электрический противовес петли, оканчивающийся выводом, первое и второе вычитающие устройства и второй усилитель, вход которого соединен с выходом первого вычитающего устройства, а выход усилителя образует второй выход антенны, вывод противовеса лежит в плоскости петли на прямой, проходящей между концами петель через ее центр, и ориентирован навстречу концам петли, входы первого вычитающего устройства соединены с концами петли, входы второго вычитающего устройства соединены с выходом суммирующего устройства и выводом противовеса, а его выход - с входом первого усилителя, при этом середина отрезка прямой линии, расположенного между концами петли и выводом противовеса, образует фазовый центр петли и противовеса, а концы петли и вывод противовеса удалены от названного фазового центра на расстояние, не превышающее 0,02 минимальной рабочей длины волны. Это достигается также тем, что кроме вышеназванных электрического противовеса, первого и второго вычитающих устройств и второго усилителя, в состав антенны введены две пары проводниковых петель, образованные второй и третьей, четвертой и пятой петлями, каждая из которых идентична первой петле, второе-седьмое суммирующие устройства, третье-восьмое вычитающие устройства и третий-шестой усилители, выходы которых образуют третий-шестой выходы антенны, вторая и третья петли расположены в одной плоскости и ориентированы своими концами навстречу друг другу, четвертая и пятая петли расположены в другой плоскости и также ориентированы своими концами навстречу друг другу, плоскости, в которых расположены пары петель, и плоскость, в которой расположена первая петля, и линии, проходящие через центры петель каждой пары, и линия, соединяющая центр первой петли и вывод противовеса, взаимно ортогональны, второе и третье, пятое и шестое суммирующие устройства соединены своими входами с концами второй и третьей, четвертой и пятой петель, а своими выходами - с входами пятого и восьмого вычитающих устройств, выходы которых подключены к входам третьего и пятого усилителей, третье и четвертое, шестое и седьмое вычитающие устройства соединены своими входами с концами второй и третьей, четвертой и пятой петель, а своими выходами - с входами четвертого и седьмого суммирующих устройств, выходы которых подключены к входам четвертого и шестого усилителей, при этом середины отрезков прямых, соединяющих центры петель в каждой паре, образуют фазовые центры пар, концы петель в каждой паре удалены от фазового центра пары на расстояние, не превышающее 0,02 минимальной рабочей длины волны, а фазовые центры первой и второй пар петель и фазовый центр первой петли и противовеса удалены друг от друга на расстояние, не превышающее 0,05 минимальной длины волны. В частном случае противовес выполняется в виде отрезка проводящей цилиндрической трубы. На фиг. 1 и 2 приведены функциональные схемы двух вариантов заявляемой активной петлевой антенны. На фиг. 1 обозначено: 1 - проводниковая петля; 2 - электрический противовес петли; 3 - суммирующее устройство (устройство, суммирующее синфазные колебания и обладающее высоким входным сопротивлением для противофазных колебаний); 4 и 5 - первое и второе разностные устройства (устройства, суммирующие противофазные колебания и обладающие высоким входным сопротивлением для синфазных колебаний); 6 и 7 - первый и второй усилители. На фиг. 2 обозначено: 8, 9, 10 и 11 - вторая, третья, четвертая и пятая петли; 12-17 - второе-седьмое суммирующие устройства; 18-23 - третье-восьмое вычитающие устройства; 24-27 - третий-шестой усилители. Обозначения первой петли, противовеса, первого суммирующего, первого и второго разностных устройств и первого и второго усилителей соответствуют обозначениям, приведенным на фиг.1. В качестве противовеса 2 первой петли 1 в обоих вариантах активной петлевой антенны (фиг.1 и 2) в данном частном случае используется отрезок проводящей цилиндрической трубы. В варианте, изображенном на фиг.2, общая ось первой петли 1 и противовеса 2 расположена в вертикальной плоскости на оси Z, а общие оси пар петель 8 и 9 и 10 и 11 расположены в горизонтальной плоскости на осях Х и Y. Плоскости первой петли и обеих пар петель, так же как и оси X, Y и Z, взаимно ортогональны. Активная петлевая антенна, функциональная схема которой изображена на фиг.1, работает следующим образом. Антенна принимает сигналы линейной поляризации, у которых вектор поляризации электромагнитного поля параллелен общей оси петли и противовеса. Электромагнитное поле наводит в петле 1 противофазный и синфазный токи относительно начала и конца петли. Противофазный ток соответствует магнитной составляющей и электромагнитного поля, а синфазный ток - электрической составляющей. Выделение синфазного тока осуществляет суммирующее устройство 3. Выделение противофазного тока осуществляет вычитающее устройство 4. В противовесе 2 под действием электромагнитного поля наводится ЭДС и через его вывод протекает ток, противофазный синфазным токам, протекающим через концы петли. Токи с выхода суммирующего устройства 3 и конца противовеса 2 поступают на входы второго вычитающего устройства 5, с выхода которого сигнал поступает на вход первого усилителя 6. С выхода первого разностного устройства 4 сигнал поступает на вход второго усилителя 7. Выходы усилителей 6 и 7 образуют первый и второй выходы антенны. По синфазному сигналу активная петлевая антенна эквивалентна несимметричному электрическому вибратору и имеет аналогичную диаграмму направленности. По противофазному сигналу антенна имеет направленные характеристики, близкие к характеристикам одиночной петли. Активная петлевая антенна, функциональная схема которой приведена на фиг. 2, представляет собой устройство, состоящее из трех независимых и невзаимодействующих между собой антенн, первой из которых является вышеописанная антенна (фиг.1). Каждая из двух других антенн содержит пару петель (8 и 9 или 10 и 11), суммирующие и вычитающие устройства, а также усилители. Поскольку эти две другие антенны идентичны, ограничимся описанием второй антенны, содержащей петли 8 и 9. Вторая антенна, так же как и первая, принимает линейно поляризованное электромагнитное поле, при этом вектор поляризации электромагнитного поля параллелен общей оси пары петель. Электромагнитное поле наводит в каждой петле ЭДС, под действием которых через концы петель протекают противофазные и синфазные токи. Противофазные токи соответствуют магнитной составляющей электромагнитного поля, синфазные токи - электрической составляющей. К концам петель 8 и 9 подключены второе 12 и третье 13 суммирующие устройства и третье 18 и четвертое 19 вычитающие устройства. Суммирующие устройства выделяют синфазные токи с концов каждой петли, вычитающие устройства - противофазные токи. Противофазные сигналы с выходов суммирующих устройств 12 и 13 поступают на входы пятого вычитающего устройства 20, где они суммируются в противофазе и поступают на вход третьего усилителя 24. Синфазные сигналы с выходов третьего 18 и четвертого 19 вычитающих устройств поступают на входы четвертого суммирующего устройства 14, с выхода которого они поступают на вход четвертого усилителя 25. Выходы третьего 24 и четвертого 25 усилителей образуют третий и четвертый выходы антенны. По синфазным сигналам, снимаемым с концов петель 8 и 9, вторая антенна эквивалентна симметричному электрическому вибратору и имеет аналогичную диаграмму направленности. По противофазным сигналам, снимаемым с тех же концов, вторая антенна имеет направленные характеристики, близкие к характеристикам одиночной петли. Третья антенна, образованная парой петель 10 и 11, суммирующими (15, 16, 17) и вычитающими (21, 22, 23) устройствами и усилителями (26, 27), работает так же, как и вторая антенна. Устройство, функциональная схема которого изображена на фиг.2, позволяет в месте приема определять одновременно три составляющие вектора электрического поля и три составляющие вектора магнитного поля. Суммирующие устройства для активной петлевой антенны нами были выполнены на основе одинаковых отрезков двухпроводной линии передачи и одинаковых ферритовых магнитопроводов . Отрезок линии передачи длиной не более 0,15 минимальной рабочей длины волны и волновым сопротивлением 75 Ом размещался на ферритовом магнитопроводе. Начало первого проводника линии и конец второго проводника образовывали входы суммирующего устройства, а соединенные вместе конец первого проводника и начало второго образовывали выход устройства. Вычитающие устройства для активной петлевой антенны были выполнены на основе тех же магнитопроводов и идентичных отрезков линии передачи. Начало первого проводника линии и начало второго проводника образовывали входы вычитающего устройства, а концы первого и второго проводников образовывали его выходы. Такие устройства обладают небольшими потерями и относительно широкой полосой рабочих частот. Для обеспечения качественного приема радиосигналов усилители для активной петлевой антенны были выполнены по балансной схеме на СВЧ биполярных транзисторах средней мощности КТ939А и имели коэффициент усиления 15-20 дБ. Динамический диапазон усилителей по интермодуляционным искажениям второго и третьего порядков составлял не менее 85 дБ. Работоспособность и преимущества предлагаемой активной петлевой антенны по сравнению с антенной-прототипом были подтверждены испытаниями макетов двух вышеописанных вариантов антенны: активной петлевой антенны с противовесом и активной петлевой антенны для измерения всех шести компонент электромагнитного поля. Макеты вариантов активной петлевой антенны имели следующие характеристики: Диапазон рабочих частот, МГц - 3-30 Выходное сопротивление, Ом - 75 Чувствительность в полосе 3 кГц, мкВ/м на частотах: 3 Мгц - 0,5 30 МГц - 0,1 Развязка по поляризации между выходами второго варианта активной петлевой антенны не менее, дБ - 30 Динамический диапазон по взаимной модуляции второго и третьего порядков не менее, дБ - 85 Напряжение питания, В - 12 Габариты первого варианта активной петлевой антенны, м - 0,85х1,7х0,2 Габариты второго варианта активной петлевой антенны, м - 1,7х1,7х1,7
Предлагаемые варианты активной петлевой антенны в отличие от известных приемных малогабаритных активных антенн реагируют как на магнитную, так и на электрическую составляющие электромагнитного поля и имеют несколько выходов с различными диаграммами направленности. Второй вариант антенны позволяет определить в одной точке пространства одновременно три составляющие вектора электрического поля и три составляющие вектора магнитного поля приходящей электромагнитной волны. Чувствительность предлагаемых вариантов антенны выше чувствительности антенны-прототипа, поскольку в предлагаемых устройствах отсутствуют соединенные с концами петель омические нагрузки. Источники информации
1. Патент США N3631499, МКИ Н 01 Q 11/12. Electrically small double-loop antenna with distributed loading and impedance matching. Приор. 28.12.71. 2. А. с. СССР N 1483515, МКИ Н 01 Q 23/00. Активная рамочная антенна. Опубл. 30.05.89. Бюл. N20 - прототип. 3. Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний/ В.В. Заенцев, В.М. Катушкина, С.Е. Модель. Под ред. З.И. Моделя. - М. : Сов. Радио, 1980. - 296 с.
Формула изобретения
1. Активная петлевая антенна, содержащая первую проводниковую петлю с периметром, не превышающим четверти минимальной рабочей длины волны, первое суммирующее устройство, соединенное своими входами с концами первой петли, и первый усилитель, выход которого образует первый выход антенны, отличающаяся тем, что в ее состав дополнительно введены электрический противовес первой петли, оканчивающийся выводом, первое и второе вычитающие устройства и второй усилитель, вход которого соединен с выходом первого вычитающего устройства, а его выход образует второй выход антенны, вывод противовеса лежит в плоскости первой петли на прямой, проходящей между концами первой петли через ее центр, и ориентирован навстречу концам первой петли, входы первого вычитающего устройства соединены с концами первой петли, входы второго вычитающего устройства соединены с выходом первого суммирующего устройства и выводом противовеса, а его выход - с входом первого усилителя, при этом середина отрезка прямой линии, расположенного между концами первой петли и выводом противовеса, образует фазовый центр петли и противовеса, а концы петли и вывод противовеса удалены от названного фазового центра на расстояние, не превышающее 0,02 минимальной рабочей длины волны.2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что в ее состав дополнительно введены две пары проводниковых петель, образованные второй и третьей, четвертой и пятой петлями, каждая из которых идентична первой петле, второе-седьмое суммирующие устройства, третье-восьмое вычитающие устройства и третий-шестой усилители, выходы которых образуют третий-шестой выходы антенны, вторая и третья петли расположены в одной плоскости и ориентированы своими концами навстречу друг другу, четвертая и пятая петли расположены в другой плоскости и также ориентированы своими концами навстречу друг другу, плоскости, в которых расположены пары петель, и плоскость, в которой расположена первая петля, взаимно ортогональны, линии, проходящие через центры петель каждой пары, и линия, соединяющая центр первой петли и вывод противовеса, взаимно ортогональны, второе и третье, пятое и шестое суммирующие устройства соединены своими входами с концами второй и третьей, четвертой и пятой петель, а своими выходами - с входами пятого и восьмого вычитающих устройств, выходы которых подключены к входам третьего и пятого усилителей, третье и четвертое, шестое и седьмое вычитающие устройства соединены своими входами с концами второй и третьей, четвертой и пятой петель, а своими выходами - с входами четвертого и седьмого суммирующих устройств, выходы которых подключены к входам четвертого и шестого усилителей, при этом середины отрезков прямых, соединяющих центры петель в каждой паре, образуют фазовые центры пар, концы петель в каждой паре удалены от фазового центра пары на расстояние, не превышающее 0,02 минимальной рабочей длины волны, а фазовые центры первой и второй пар петель и фазовый центр первой петли и противовеса удалены друг от друга на расстояние, не превышающее 0,05 минимальной рабочей длины волны.3. Антенна по п.1 или 2, отличающаяся тем, что противовес выполнен в виде отрезка проводящей цилиндрической трубы.
Даже представить себе невозможно, сколько антенн становится вокруг нас: мобильный телефон, телевизор, компьютер, беспроводной роутер, радиоприемники. Есть даже антенные устройства для экстрасенсов. Что такое антенна кв? Большинство людей, не связанных с радио, ответит, что это длинный провод или телескопический штырь. Чем он длиннее, тем лучше приём радиоволн. Доля истины в этом есть, но ее очень мало. Так каких же размеров должна быть антенна?
Важно! Размеры всех антенн должны быть соизмеримы с длиной радиоволны. Минимальная резонансная длина антенны равна половине длины волны.
Слово резонанс означает, что такая антенна может эффективно работать только в узкой полосе частот. Большинство антенн именно резонансные. Существуют и широкополосные антенны: за широкую полосу приходится расплачиваться эффективностью, а именно коэффициентом усиления.
Почему же работает стереотип, что чем длиннее кв антенны, тем они эффективнее? На самом деле это так, но до определённых пределов, так как это характерно только для средних и длинных волн. А с увеличением частоты размеры антенн можно уменьшить. На коротких волнах (это длины примерно от 160 до10 м) размеры антенн уже могут быть оптимизированы для эффективной работы.
Диполи
Самые простые и эффективные антенны – это полуволновые вибраторы, их ещё называют диполями. Запитываются они в центре: в разрыв диполей подаётся сигнал от генератора. Радиолюбительские портативные антенны могут работать как передающие, так и как приёмные. Правда, передающие антенны отличаются толстым кабелем, большими изоляторами – эти особенности позволяют им выдерживать мощность передатчиков.
Самое опасное место у диполя – это его концы, где создаются пучности напряжения. Максимум тока у диполя получается посередине. Но это не страшно, потому что пучности тока заземляют, тем самым, защищая приемники и передатчики от грозовых разрядов и статического электричества.
Обратите внимание! При работе с мощными радиопередатчиками можно получить удар от высокочастотных токов. Но ощущения будут не такими, как от удара от розетки. Удар будет ощущаться как ожог, без тряски в мышцах. Это получается из-за того, что высокочастотный ток течёт по поверхности кожи и вглубь тела не проникает. То есть от антенны можно подгореть снаружи, но внутри остаться нетронутым.
Многодиапазонная антенна
Довольно часто необходимо установитъ более одной антенны, но это не удается. И ведь помимо радиоантенны на один диапазон нужны антенны и на другие диапазоны. Решение задачи – использовать многодиапазонную антенну кв диапазона.
Обладая довольно приличными характеристиками, многодиапазонные вертикальные антенны могут решить антенную проблему для многих коротковолновиков. Они становятся очень популярными по ряду причин: нехватка пространства в стеснённых городских условиях, рост числа любительских радиодиапазонов, так называемая жизнь «на птичьих правах» при съёме квартиры.
Многодиапазонные вертикальные антенны не требуют много места для своей установки. Портативные конструкции можно расположить на балконе либо выйти с этой антенной куда-нибудь в близлежащий парк и поработать там в полевых условиях. Самые простые КВ антенны представляют собой одиночный провод с несимметричной запиткой.
Кто-то скажет укороченная антенна – это не то. Волна любит свой размер, поэтому кв антенна должна быть большой и эффективной. С этим можно согласиться, но чаще всего нет возможности для приобретения такого устройства.
Изучив интернет и посмотрев конструкции готовых изделий от разных фирм, приходишь к выводу: их очень много, и они очень дорогие. А всего в этих конструкциях провод для кв антенн и полтора метра штырька. Поэтому будет интересен, особенно начинающему, быстрый, простой и дешевый вариант самодельного изготовления эффективных кв антенн.
Вертикальная антенна (Ground Plane)
Ground Plane – это вертикальная антенна для радиолюбителей с длинным штырем, равным четверти длины волны. Но почему четверти, а не половине? Здесь недостающая половина диполя – это зеркальное отражение вертикального штыря от поверхности земли.
Но так как земля очень плохо проводит электричество, то в качестве нее используют либо листы металла, либо просто несколько проводов, раскинутых ромашкой. Их длину тоже выбирают равной четверти длины волны. Это и есть антенна Ground Plane, в переводе значит земляная площадка.
Большинство автомобильных антенн для радиоприёмников сделано по такому же принципу. Длина волны радиовещательной УКВ диапазона – это около трёх метров. Соответственно четверть полуволны будет 75 см. Второй луч диполя отражается в корпусе автомобиля. То есть такие конструкции должны принципиально монтироваться на металлической поверхности.
Коэффициент усиления антенны – отношение напряженности поля, получаемого от антенны, к напряженности поля в той же точке, но полученного от эталонного излучателя. Это отношение выражается в децибелах.
Рамочная магнитно-петлевая антенна
В тех случаях, когда простейшая антенна не может справиться с задачей, может использоваться вертикальная магнитно-петлевая антенна. Её можно сделать из дюралевого обруча. Если в горизонтальных рамочных антеннах на их технические показатели не оказывает влияние геометрическая форма и способ запитки, то на вертикальные антенны это оказывает влияние.
Такая антенна функционирует на трёх диапазонах: десять, двенадцать и пятнадцать метров. Перестраивается с помощью конденсатора, который должен быть надежно защищен от атмосферной влаги. Питание осуществляется любым кабелем 50-75 Ом, потому как согласующее устройство обеспечивает трансформацию выходного сопротивления передатчика в сопротивление антенны.
Укороченная дипольная антенна
Существуют укороченные антенны на 7 МГц, длина плеч которых составляет всего около трёх метров. Конструктив антенны включает в себя:
- два плеча порядка трех метров;
- изоляторы на краях;
- веревочки для оттяжек;
- катушка удлинительная;
- небольшой шнур;
- центральный узел.
Длина намотки катушки составляет 85 миллиметров и 140 намотанных вплотную витков. Точность здесь не так важна. То есть если витков будет больше, то это можно компенсировать длиной плеча антенны. Можно укорачивать и длину намотки, но это более сложно, придётся распаивать концы крепления.
Длина от края намотки катушки до центрального узла составляет порядка 40 сантиметров. В любом случае после изготовления антенну придётся настраивать подбором длины.
Вертикальная кв антенна своими руками
Как смастерить самому? Взять ненужную (или купить) недорогую удочку из карбона, 20-40-80. Наклеить на нее с одной стороны бумажную полоску с разметками точек. В отмеченные места вставить клипсы для подключения перемычек и шунтирования ненужной катушки. Таким образом, антенна будет переключаться с диапазона на диапазон. В заштрихованных областях будут намотаны укорачивающая катушка и указанное количество витков. В саму «удочку» вставляется штырь.
Также понадобятся материалы:
- медный обмоточный провод используется диаметром 0,75 мм;
- провод для противовеса диаметром 1,5 мм.
Штыревая антенна обязательно должна работать с противовесом, иначе она не будет эффективной. Итак, при наличии всех этих материалов останется только намотать проволочный бандаж на удилище так, чтобы получилась сначала большая катушка, затем меньше и ещё меньше. Процесс переключения диапазонов антенны: от 80 м до 2 м.
Выбор первого кв трансивера
При выборе коротковолнового трансивера начинающего радиолюбителя в первую очередь надо уделить внимание тому, как его купить, чтобы не ошибиться. Какие тут есть особенности? Существуют необычные узкоспециализированные радиостанции – это не подходит для первого трансивера. Не нужно выбирать носимые радиостанции, предназначенные для работы на ходу со штыревой антенной.
Такая радиостанция не удобна для того, чтобы:
- ее использовать в качестве радиолюбительского обычного аппарата,
- начать проводить связь;
- научиться ориентироваться в радиолюбительском коротковолновом эфире.
Также есть радиостанции, которые программируются исключительно с компьютера.
Простейшие самодельные антенны
Для радиосвязи в полях бывает нужно связаться не только на расстояния в сотни километров, но и на небольшие расстояния с маленьких носимых радиостанций. Не всегда возможна устойчивая связь даже на небольшие расстояния, так как рельеф местности и крупные постройки могут мешать распространению сигнала. В таких случаях может помочь подъём антенны на небольшую высоту.
Высота даже такая, как 5-6 метров, может дать значительную прибавку в сигнале. И если с земли была слышимость очень плохая, то при подъёме антенны на несколько метров ситуация может значительно улучшиться. Конечно, установкой десятиметровой мачты и многоэлементной антенны однозначно улучшится и дальняя связь. Но мачты и антенны есть не всегда. В таких случаях выручают самодельные антенны, поднятые на высоту, например, на ветку дерева.
Немного слов о коротковолновиках
Коротковолновиками являются специалисты, обладающие знаниями в области электротехники, радиотехники, радиосвязи. К тому же они владеют квалификацией радиста, способны вести радиосвязь даже в таких условиях, в которых не всегда соглашаются работать профессионалы-радисты, а в случае необходимости способные быстро найти и устранить неисправность в своей радиостанции.
В основе работы коротковолновиков лежит коротковолновое любительство – установление двусторонней радиосвязи на коротких волнах. Самыми юными представителями коротковолновиков являются школьники.
Антенны мобильных телефонов
Ещё десяток лет тому назад из мобильных телефонов торчали небольшие пипочки. Сегодня ничего такого не наблюдается. Почему? Так как базовых станций в то время было мало, то повысить дальность связи можно было, только увеличив эффективность антенн. В общем, наличие полноразмерной антенны мобильного телефона в те времена повышало дальность его работы.
Сегодня, когда базовые станции натыканы через каждые сто метров, такой необходимости нет. К тому же с ростом поколений мобильной связи есть тенденция увеличения частоты. Вч диапазоны мобильной связи расширились до 2500 МГц. Это уже длина волны всего 12 см. И в корпус антенны можно вставить не укороченную антенну, а многоэлементную.
Без антенн в современной жизни не обойтись. Их разнообразие такое огромное, что о них можно рассказывать очень долго. Например, существуют рупорные, параболические, логопериодические, направленные антенны.
Видео
Широкое применение получили антенны-мачты шунтового питания с пониженным волновым сопротивлением. Эти антенны используются радиолюбителями, которые позволяют без переключения использовать их в широком диапазоне частот. Электрическая схема такой антенны показана на рис.1.
Родоначальником этой
антенны был шлефовый или петлевой вибратор, который ополовинили и заземлили,
см. рис.1а. Входное сопротивление полуволнового вибратора составляет 240
Ом, четвертьволнового составляет 120 Ом.
Для придания ему большей широкополосности, его породнили с диполем Надененко,
и получилась принципиально новая антенна шунтового питания, см. рис.1б.
Заземлённая мачта этой антенны окружается системой излучающих проводов,
расположенных по образующей внешнего цилиндра радиусом R. У основания эти
провода изолируются от ствола мачты и соединяются вместе собирательным кольцом,
к которому подводится питание. Увеличение поперечного сечения заземлённой
мачты с помощью проволочного цилиндра, снижает волновое сопротивление антенны,
что позволяет улучшить её диапазонные свойства. Ее входное сопротивление
становится еще ниже и может достигать 75-50Ом.
Высота шунтовых антенн-мачт обычно выбирается в пределах 0,5-0,15 λ. Достаточным
примером для этого, подобный тип антенн с успехом применяется радиолюбителями
UY5AP; UА6HКН, и опубликованные в журналах "Радиолюбитель" и "Радио".
Антенна на диапазон 6 - 50 мГц, которая представлена ниже, имеет несколько
отличительные черты от широко применяемой шунтовой антенны в профессиональной
связи и радиолюбительского варианта.
Вертикальная часть антенны изготовлена из стальной трубы диаметром около
40 мм. Горизонтальные распорки из трубок диаметром около 10-12 мм, которые
насаживаются на болты с резьбой М:10, приваренные равномерно по окружности
мачты.
Длина каждой распорки в верхнем ярусе составляет 0,4м, нижнего - 1,3м. На
всех распорках установлены изоляторы, см. рис.2. В качестве излучающих проводников
можно использовать антенный канатик диаметром 2-3 мм. или биметалл с обмеднением.
В первом случае удобнее собирать конструкцию, во втором она долговечнее.
В обоих случаях верхний конец проводников закрепляется к заземлённой мачте
(вверху) при помощи автомобильного хомута (винтовая затяжка), с предварительной
зачисткой мачты до блеска металла. Проводники при этом должны выступать
выше мачты не менее чем на 10-15 см. Далее, после затяжки хомута, проводники
загибаются вниз, и ещё одним хомутом, расположенным чуть ниже первого, прижимаются
вновь к мачте. Этот узел соединения с мачтой герметизируется жидкой резиной
или другим влагостойким гирметиком. В нижней части, излучающие элементы
закрепляются на собирательном кольце, которое изолируется от мачты и соединяется
с центральной жилой кабеля. Все излучающие элементы соединяются между собой
в местах прохождения через изоляторы распорок, как в верхнем ярусе распорок,
так и в нижнем. Это даёт дополнительную широкополосность антенне и жёсткость
конструкции. Методы соединения могут быть разными, от пайки, до зажимов.
Антенна работает только с противовесами и хорошей землёй. Количество их
не ограничено, но их должно быть не менее шести, а их длина должна составлять
7,5 метров. Как уже отмечалось выше, что увеличение поперечного сечения
заземлённой мачты с помощью проволочного цилиндра, снижает волновое сопротивление
антенны. Это необходимо для того, что бы к антенне подвести фидер с сопротивлением
в 50 Ом. По этому количество проводников в вибраторе может быть увеличено
до 10-12 штук. При помощи этих проводников можно настроить антенну с КСВ
близкую к единице в диапазоне частот 6-50 мГц. Для более эффективной работы
на частоте 6,66 мГц необходимо 3-4 противовеса удлинить до11,25м.
