Записки программиста

Магнитная рамочная антенна или магнитная рамка (magnetic loop antenna) — это особая антенна, которая заметно отличается от классических диполей, вертикалов и волновых каналов. Несмотря на похожее название, антенна имеет мало общего с рамочной антенной. Главной отличительной чертой магнитной рамки является длина полотна в пределах от 1/8 λ до 1/4 λ. Антенна безусловно является компромиссной. Тем не менее, магнитные рамки довольно сносно работают как на прием, так и на передачу.

Конструкция

Принцип работы магнитной рамочной антенны с диаграммами направленности, вариантами согласования и всяким таким хорошо освещены в книгах об антеннах, коих написано немало. Есть даже книги, посвященные исключительно магнитным рамкам, см рекомендуемые ссылки в конце поста. Если вас интересует теория, а также происхождение названия антенны, начать можно со статьи в Википедии. Далее будут озвучены кое-какие особенности устройства магнитных рамок. Однако в целом эта статья об изготовлении и тестировании одной конкретной антенны, а не о теории работы всего класса антенн.

Сразу покажу, что у меня получилось:

Диаметр основной петли я выбрал 1.2 метра, как подходящий для выхода на 20 метров, и в то же время достаточно небольшой, чтобы с ним было комфортно работать. В качестве полотна использована оплетка коаксиального кабеля RG213. В полотне магнитной рамки текут большие токи, даже при работе с умеренной мощностью. Поэтому полотно делают из толстого коаксиального кабеля, медных труб, алюминиевого профиля или чего-то такого. Магнитная рамка наиболее эффективна, если полотно образует ровный круг, но антенны также делают в форме восьмиугольника, шестиугольника, ромба, квадрата или треугольника.

Полотно крепится к секциям от телескопической удочки, соединенным крест-накрест, при помощи изоленты. Сам же каркас стоит на штативе для фотоаппарата. Соединены они также при помощи изоленты. Штатив какой-то недорогой, буквально первый попавшийся мне в магазине. Точную модель уже не вспомню.

Антенна запитывается с помощью коаксиального кабеля RG58. Для подавления синфазного тока я использовал проверенный метод. Восемь витков кабеля были намотаны на ферритовом кольце FT240-31. Кольцо можно видеть в середине фотографии. Вопрос о синфазных токах и их подавлении ранее подробно рассматривался в статье Самодельный диполь: теория и практика.

Будучи расположенной вертикально, как на фото, антенна сильнее всего излучает влево и вправо (что полностью противоречит интуиции, во всяком случае, моей). По форме диаграмма направленности похожа на «восьмерку», как у диполя. Эту же антенну можно расположить горизонтально. Тогда она превратиться во всенаправленную — диаграмма направленности по форме будет примерно как у вертикала. Заметьте, что усиление магнитной рамки всегда измеряется в отрицательных dBi. На то она и компромиссная антенна.

В нижней части антенны расположен КПЕ:

Это КПЕ с заявленной емкостью от 22 до 360 пФ на напряжение до 1 кВ. Напомню, что в свое время мной было приобретено три таких КПЕ. Пара использовалась в самодельном тюнере, выполненным по Т-образной схеме и еще один, который я брал, как запасной, был применен в антенне Фукса. После того, как тюнер из первой статьи был переделан на LC-схему, у меня остался один лишний КПЕ. Он и был использован в магнитной рамке.

Антенна в сущности представляет собой резонансный LC-контур. Полотно антенны образует катушку индуктивности с воздушным сердечником из одного витка. Соответственно, при помощи КПЕ подбирается резонанс на интересующей частоте. Конденсатор обязательно нужен на высокое напряжение, 1 кВ минимум. Судя по информации в сети, этого типично хватает для работы с мощностью от 10 до 50 Вт, в зависимости от частоты и вида модуляции. Для работы с большей мощностью применяют вакуумные КПЕ.

Fun fact! Магнитные рамки также делают из двух и более витков. Минусы такого подхода — сужение полосы и без того узкополосной антенны, уменьшение излучаемой энергии, а также рост напряжения на КПЕ, что еще сильнее ограничивает подводимую к антенне мощность.

Конденсатор приклеен к куску оргстекла при помощи эпоксидки. В оргстекле просверлены отверстия, в которые продеты нейлоновые стяжки. С их помощью осуществлено крепление оргстекла к штативу, а также полотна антенны к оргстеклу.

В верхней части антенны расположена согласующая петля, также сделанная из RG213. Подключение питающего кабеля к согласующей петле выполнено так:

Я использовал недорогой переходник с BNC на две клеммы, купленный на eBay. Соответственно, к концам петли были припаяны наконечники M6. В остальном конструкция аналогична той, что использовалась для крепления КПЕ. На пятна зеленой краски на оргстекле не обращайте внимания. Просто оно использовалось в качестве подкладки, когда я что-то красил.

Согласующая петля имеет длину 20% от длины основной петли. Длина последней составляет 3.77 метра, соответственно длина согласующей петли — 0.75 метра. Она крепится к верхней части антенны на все той же изоленте. Никакого непосредственного соединения между двумя петлями нет. Меньшая петля нужна по той причине, что магнитная рамка имеет низкое входное сопротивление. Его нужно как-то согласовать с 50 Ом коаксиального кабеля. Согласующая петля вместе с основной петлей образуют трансформатор, которой именно это и делает.

Выходим в эфир

Настройка антенны на конкретную частоту осуществляется вращением КПЕ. Грубую настройку можно произвести либо по уровню эфирного шума, либо по индикатору напряженности поля. Для более точной настройки необходим антенный анализатор.

Оказалось, что антенна неплохо настраивается сразу на три радиолюбительских диапазона:

Антенна довольно узкополосная. Это общее свойство всех магнитных рамок. Если вы работаете только в цифре и/или телеграфе, для вас это вряд ли будет проблемой. Для работы на поиск в SSB антенну придется постоянно перестраивать.

Отмечу, что КСВ зависит от того, где и как вы поставили антенну. Для работы магнитной рамке не требуется система противовесов. Также она мало чувствительна к высоте от земли. Однако она, как и любая другая антенна, чувствительна к находящимся поблизости металлическим предметам.

Мне удавалось найти положение, при котором КСВ вгонялся ровно в единицу, а также положение, при котором КСВ не опускался ниже двух. Приведенные графики можно воспринимать, как усредненные. Это не лучшие графики, которые я получал, но и не самые плохие. Также эти графики соответствуют положению антенны, в котором проводились тестовые радиосвязи.

Fun fact! Антенна настраивается на любую частоту от 4.5 МГц до 15.4 МГц. В этот интервал, помимо прочего, попадает радиолюбительский диапазон 60 метров, частоты 5.3515-5.3665 МГц. К сожалению, он не разрешен в России для работы на передачу, однако принимать вы можете все, что пожелаете. Также антенна может быть использована для приема номерных радиостанций, да и вообще чего угодно, что попадает в названный интервал частот.

Антенна была установлена в частном загородном доме, возле окна на втором этаже. Направление было выбрано на запад и на восток. Но поскольку на одном уровне с антенной находятся соседские дома, имеющие металлические крыши, сигнал все равно отразится куда угодно. Радиосвязи проводились в FT8 и телеграфе. Экспериментальным образом я установил, что антенна уверенно держит до 40 Вт в любом из этих режимов на любом из диапазонов. При использовании большей мощности что-то где-то начинает перегреваться (вероятно, изолятор в кабеле) и КСВ уплывает, а при мощности 80 Вт КПЕ гарантированно пробивает.

Важно! При работе на магнитную рамку с мощностью 40 Вт рекомендуется находится от нее на расстоянии не менее пяти метров. При использовании мощности 10 Вт или меньше это расстояние может быть уменьшено до двух метров.

Радиосвязи были успешно проведены в каждом из диапазонов. На 40 метрах в FT8 по расстоянию победила Великобритания, 2752 км. При этом был получен рапорт -16 дБ. В телеграфе победил Краснодар, расстояние 1250 км, рапорт 569. На 30 метрах в FT8 по дальности победила Италия, 2250 км с рапортом -24 дБ, в телеграфе — Норвегия, 1170 км с рапортом 579. На 20 метрах в FT8 победил город Омск, 2240 км с рапортом -25 дБ, в телеграфе — Израиль, 2660 км, рапорт 599 (по всей видимости, символический). Само собой разумеется, были проведены и другие радиосвязи. При этом на каждом из диапазонов я работал недолго, буквально по паре часов.

При работе в FT8 сайт pskreporter.info типично показывает что-то вроде:

Здесь показан отчет после 15 минут работы на общий вызов в диапазоне 40 метров. Это наихудшая картина, поскольку антенна наименее эффективна в этом диапазоне. На 30 и 20 метрах картина аналогичная, только на 20 метрах мой сигнал еще иногда долетает до США и Канады.

Полученные результаты превзошли все мои ожидания. Учитывая размеры магнитной рамки, тот факт, что она использовалась из дома, а также ограниченную мощность, считаю, что антенна показала себя прекрасно. Я намерен продолжить экспериментировать с этим видом антенн.

Заключение

Рекомендуемые ссылки:

• Magnetic Loop Antenna: Slightly Different Each Time, 4th Edition — интересная книжка, полностью посвященная магнитным рамкам. Многое из написанного выше, в том числе про безопасное расстояние до антенны и недостатки антенн из нескольких витков, я почерпнул из нее;
• Small Transmitting Loop Antennas, автор Steve Yates, AA5TB. Хорошая статья о магнитных рамках, а также подборка ссылок на эксперименты многих радиолюбителей;
• Есть несколько онлайн-калькуляторов магнитных рамок, например первый и второй. Я бы не стал слишком уж доверять подобным калькуляторам. Но чтобы прикинуть размеры и эффективность будущей антенны они сгодятся;
• В свое время мне очень понравилась серия статей о магнитных рамках в блоге esorensen.com. К сожалению, сейчас этот сайт доступен только на web.archive.org;

Магнитную рамку можно безусловно рекомендовать как интересный эксперимент для повторения. Также ее по достоинству оценят радиолюбители, не имеющие возможности установить полноразмерную КВ антенну на улице или на крыше. Магнитная рамка может быть интересным вариантом для выхода в эфир, будучи в гостях, живя в отеле или работая в полевых условиях. Но в последнем случае придется приложить чуть больше усилий, чтобы антенна была разборной, герметичной, и устойчивой к ветру. Еще на магнитную рамку можно провести радиосвязи в направлениях, в которых обычно не работает ваша основная антенна. Наконец, для многих радиолюбителей магнитная рамка, вероятно, будет одним из немногих способов выйти на диапазоны 80 и 160 метров.

В общем, антенна интересная, и определенно имеет свои области применения.

Дополнение: Доработка антенны описана в посте Магнитная рамочная антенна на пять КВ-диапазонов. Вас также могут заинтересовать статьи Г-образная антенна на диапазон 80 метров и Диполь на 80 метров с удлиняющими катушками.

Метки: Антенны, Беспроводная связь, Любительское радио.