Магнитная рамочная антенна для коротких волн

Описанная антенна охватывает диапазон частот от 3,5 до примерно 10 МГц. Она является направленной, не нуждается в радиальной системе и имеет высоту всего 1,8 метра. Большинство компонентов для её сборки можно купить в магазине. Антенну можно собрать за один день, используя только ручные инструменты.

Схема петли имеет одну важную особенность: элемент выполнен сплошным, за исключением небольшого зазора в верхней части, где установлен переменный конденсатор. Линия питания подключена к нижней части петли. Также представлена физическая конструкция антенны. Петлевой элемент занимает площадь в 1,5 квадратных метра и закреплён на деревянной перекладине. Для снижения потерь используется толстая алюминиевая полоса.

Высоковольтный конденсатор переменного тока установлен в верхней части петли. Этот элемент предназначен для настройки антенны на требуемую рабочую частоту. Благодаря узкой полосе пропускания настройка получается очень точной. Для упрощения процесса настройки был добавлен нониусный привод. Важным условием является возможность настройки петли в резонанс на всех рабочих частотах с помощью переменного конденсатора, независимо от её размеров.

Для сборки антенны понадобятся следующие компоненты:

• Полоска алюминия размером 3 м на 20 мм и толщиной 3 мм
• Сосновая доска длиной 1,8 м с сечением 20×44 мм
• Квадратный деревянный брусок длиной 1,5 м и размером 12×12 мм
• Полиэтиленовая разделочная доска среднего или большого размера
• Жёсткий изоляционный материал размером 150 × 80 × 4 мм (например, бакелит)
• Два прямоугольных металлических кронштейна
• Высоковольтный переменный конденсатор ёмкостью 20-400 пФ
• Привод с нониусным редуктором 6:1 модели Дик Смит № P-7170
• Небольшая длина оплётки коаксиального кабеля
• Коаксиальный кабель RG58 любой длины и штекер PL259
• Винты, гайки и прочие крепёжные элементы

Большинство из этих материалов можно найти в магазинах электроники и бытовой техники. Исключение составляет только широкополосный переменный конденсатор, который трудно приобрести. Однако вы можете попытаться найти его. Важно, чтобы ёмкость конденсатора была не менее 400 пФ. В прототипе использовался конденсатор, состоящий из двух групп по 200 пФ каждая, с расстоянием между пластинами 2 мм. Эти группы были соединены, чтобы достичь необходимой общей ёмкости.

Если вы не сможете найти подходящий конденсатор, всегда можно изготовить его самостоятельно. Подробные инструкции по сборке можно найти в программе проектирования магнитных петель DK1NB.

Процесс сборки

Первым делом необходимо создать деревянную крестовину, которая будет поддерживать алюминиевый элемент. Для этого к вертикальной секции длиной 1,8 метра крепится горизонтальная поперечина длиной 1,5 метра. Основанием антенны служит разделочная доска из белого полиэтилена. Два прямоугольных кронштейна будут удерживать её на вертикальной секции.

Затем следует согнуть три отрезка алюминия так, чтобы они сформировали петлю площадью 1,5 квадратного метра, которая при соединении болтами сможет поместиться на раме. Как показано на рисунке, две детали имеют L-образную форму, а третья изогнута в виде неглубокой буквы U. Обратите внимание, что две L-образных детали находятся примерно в 10 сантиметрах друг от друга в верхней части петли. Они соединены бакелитовым изоляционным блоком, прикреплённым к верхушке соснового бруса.

Верхние L-образные элементы соединяются с нижними U-образными элементами в точках «v» и «w». Перекрытие составляет около 40-50 миллиметров. Электрическое соединение в этих точках должно быть максимально качественным. Для этого алюминий в месте контакта необходимо отшлифовать и соединить детали двумя или более небольшими болтами. При наличии используйте специальную токопроводящую пасту.

Конденсатор переменного тока устанавливается на самодельном металлическом кронштейне так, чтобы его вал был направлен вниз. К валу крепится привод с нониусным редуктором. Небольшие кронштейны, леска или клей используются для прикрепления рамы редуктора к вертикальной секции длиной 1,8 метра. Обратите внимание на толстые провода с низким сопротивлением между концом петли и настроечными конденсаторами. В прототипе применялась оплётка из отрезка коаксиального кабеля. Эти соединения должны быть короткими, чтобы минимизировать потери.

Петля подводится снизу. Оплётка линии подачи соединяется с центром нижнего горизонтального элемента (см. схему, точка «x»). Внутренний провод соединяется с петлёй в точке «y» с помощью коаксиального кабеля длиной 900 миллиметров (внутренний провод и оплётка спаяны вместе). Для подсоединения к алюминиевому элементу в точках «x» и «y» используются небольшой болт, гайка и проушина с клеммами. Возможно, вам придётся варьировать расстояние между «x» и «y», а также длину коаксиального кабеля для правильного согласования – это обсудим позже.

Настройка

Процесс настройки заключается в регулировке участка между точками «x» и «y», чтобы импеданс точки питания антенны составлял 50 Ом в интересующих диапазонах. Начинается с подключения антенны к высокочастотному приёмнику, настроенному на 7 МГц. Регуляторы усиления RF и AF приёмника устанавливаются почти на максимум, а конденсатор антенны — на минимальную ёмкость (пластины полностью разомкнуты). Затем ёмкость конденсатора постепенно увеличивается. Сначала изменений может не быть, но шум от приёмника начнёт нарастать.

Дальнейшее увеличение ёмкости конденсатора приводит к снижению уровня шума. Возвратите конденсатор в положение, где шум максимален. В зависимости от ёмкости конденсатора, пластины должны быть примерно на четверть соединены. Этот тест подтверждает возможность настройки антенны на 7 МГц.

Повторите процесс на диапазоне 80 метров. Теперь шум должен достигнуть максимума при максимальной ёмкости конденсатора. Если пиковый сигнал не удаётся получить, настройте приёмник на более высокую частоту (например, 4 или 5 МГц) и найдите пиковый сигнал. Если пик получен, но не на 3,5 МГц, вероятно, ёмкость переменного конденсатора слишком мала для восьмидесятиметрового диапазона. Решения могут включать замену конденсатора на больший ёмкостью, подключение высоковольтных постоянных конденсаторов параллельно или увеличение размера петли.

После того как пики шума получены на всех интересующих частотах, проверьте импеданс антенны на этих частотах. Для этого настройте канал питания антенны. Рекомендуется использовать резистивный антенный мост для измерений без излучения сигнала. Если доступен только обычный КСВ-мост, проводите настройку в течение дня, чтобы минимизировать помехи для других станций.

Антенну следует расположить ближе к её окончательному рабочему месту (вне досягаемости других людей). Установите трансивер на частоту около 3,580 МГц. Отрегулируйте переменный конденсатор до максимального уровня шума. Передайте постоянную несущую и зафиксируйте отражённую мощность или КСВ. Затем настройте передатчик вверх и вниз на 40–50 кГц, чтобы найти частоту с минимальным КСВ. Обратите внимание на показания на этой частоте. Оптимально, если отражённая мощность будет близка к нулю.

В случае необходимости откорректируйте длину и расположение 900-мм провода, соединяющего линию питания с точкой «y», а также расстояние между точками «x» и «y». Вы заметите, что эти настройки взаимосвязаны с регулировкой переменного конденсатора. При каждом изменении корректируйте либо частоту передачи, либо переменный конденсатор антенны так, чтобы отражённая мощность была минимальной. Повторяйте эту процедуру до тех пор, пока отражённая мощность не уменьшится до нуля или почти до нуля.

Во время этих настроек может возникнуть желание оставить передатчик включённым. Однако этого делать не следует по двум причинам:

1. Напряжение в верхней части антенного элемента может достигать высоких значений (сотни или тысячи вольт), даже если мощность передачи невелика.
2. Петля антенны отключается при приближении людей. Таким образом, регулировки, выполненные в присутствии людей, не будут оптимальными, когда вы отойдёте. Этот эффект особенно заметен на высоких частотах и распространяется как на металлические предметы, так и на людей.

После того как вы определите длину и расположение 900-мм коаксиального кабеля, а также расстояние между точками «x» и «y», дальнейшие настройки можно будет осуществлять с помощью регулируемого конденсатора антенны. Управление антенной подробно описано в следующем разделе.

Принцип работы

Добротность этой антенны чрезвычайно высока, что позволяет ей эффективно функционировать только в узком диапазоне частот (обычно 5–10 кГц). Практически при каждом изменении частоты потребуется корректировка переменного конденсатора.

Ранее было отмечено, что для достижения наилучшего результата необходимо увеличить уровень принимаемого шума на требуемой рабочей частоте. Если отражённая мощность остаётся высокой, продолжайте настройку до тех пор, пока она не станет приемлемой. Использование резистивного моста вместо обычного измерителя КСВ предпочтительнее, так как это позволяет проводить настройку без создания помех.

Важно отметить, что петля имеет направленную характеристику с резким нулевым значением, когда она ориентирована в направлении входящего сигнала. Это отличает её от полноразмерных четырёхэлементных антенн, где нулевое значение наблюдается по бокам петли. Такая направленность может быть полезной для подавления помех. Также стоит учитывать, что если другие станции сообщают о проблемах с приёмом, изменение ориентации петли может улучшить ваш сигнал.

Результаты

Эта петля активно использовалась в диапазоне восьмидесяти метров. Большинство контактов было установлено с антенной, расположенной внутри помещений. Хотя эффективность диполя значительно снизилась, он всё же позволил установить связь с Австралией и Новой Зеландией. Мощность, использованная в этих контактах, составляла двадцать ватт. Были также попытки уменьшить мощность, но результаты оказались неудовлетворительными.

Как и ожидалось, преимущества полноразмерных антенн над петлёй уменьшаются с увеличением частоты. Например, на 7 МГц разница между петлёй и полуволновым диполем составляет всего один балл. Эксперименты подтвердили эффективность петли на диапазоне 40 метров, хотя все контакты были установлены в пределах регионов VK / ZL.

Повышение эффективности петли

Описанная антенна демонстрирует хорошие результаты на частотах 80, 40 и, возможно, 30 метров. Однако это компромисс, направленный на снижение стоимости и упрощение конструкции с использованием базовых инструментов. Для повышения её эффективности и полезности можно предпринять следующие шаги:

1. Вместо алюминия лучше использовать медь. Медь обладает лучшей проводимостью (хотя и стоит дороже), поэтому антенна, изготовленная из меди, будет эффективнее, чем прототип. Подойдёт медная водопроводная труба (чем толще, тем лучше).
2. Прикрепление петлевого элемента непосредственно к переменному конденсатору повысит производительность и долговечность антенны, особенно если она будет использоваться на улице. Причина, по которой это не было сделано в оригинальном прототипе, заключалась в сложности пайки к алюминиевому материалу.
3. Для уменьшения потерь на сопротивление используйте цельный кусок металла в качестве проводника. Если это невозможно, соедините детали пайкой или сваркой либо используйте токопроводящую пасту.
4. Для повышения эффективности антенны сделайте петлю в форме круга или восьмиугольника вместо квадрата. Хотя квадратные петли проще изготовить, они занимают меньшую площадь при заданном периметре по сравнению с другими формами, что снижает их эффективность.
5. Сделайте антенну поворотной, чтобы устранить помехи от линий электропередач, телевизоров и других радиостанций. Глубокие нулевые значения петли помогут в этом.
6. Используйте петлю большего размера, так как эффективность антенны увеличивается с увеличением её площади. Даже петля площадью 2-2,5 квадратных метра будет заметно эффективнее, чем текущая 1,5-метровая антенна. Программное обеспечение для моделирования магнитного контура поможет оценить возможные улучшения при внесении предложенных изменений.
7. Для упрощения настройки используйте большее уменьшение на переменном конденсаторе. Первый прототип имел только один нониус на валу конденсатора, что делало настройку утомительной. Если вы часто меняете частоту, добавление второго нониуса оправдает затраты, особенно если вы работаете в диапазонах 40 и 30 метров.

Для реализации этой модификации установите два нониуса, как показано на рисунке. Если на переднем нониусе установлен диск 0-100, ручка будет ограничена тремя поворотами, а задняя часть — поворотом на 180 градусов. Чтобы устранить это ограничение, снимите ручку, открутите диск 0-100 и с-образный кронштейн, ограничивающий движение.

VK3YE