Під рамковою антеною на увазі селективну, узкополосную магнітну антену, що складається з що знаходяться в одній площині квадратних петель (витків) провідників і конденсатора. По суті це великий коливальний контур, чутливий до магнітної складової електромагнітного радіосигналу. Рамкова антена часто використовується для частот довгих і середніх хвиль від 50 кГц до 1.6 МГц. Окремими випадками рамкової антени можна вважати антену з феритовим магнітним стрижнем і петлеву антену, витки якої утворюють коло (переклад статей [1, 2]).
[Теорія і практика рамкових антен]
Рамкова антена має діаграмою спрямованості у вигляді вісімки. Таким чином, крім селективності по частоті, вона може також вибирати джерело сигналу по його азимуту.
Як відомо, радіосигнал складається з електричних і магнітних коливань. Прийом магнітної складової сигналу обумовлений спеціальною конструкцією рамкової і ферритовой антен. Телескопічна антена і напівхвильового диполів, на відміну від рамкової антени, реагують на електричне змінне поле високочастотного сигналу. Через це у магнітних антен є значна перевага вони менш чутливі до побутових випадковим перешкод (комп'ютер, блок живлення і т. Д.). Інша перевага магнітної антени обумовлено її конструкцією: це коливальний контур з досить високою добротністю.
Недоліки рамкової антени:
1. Рамкова антена повинна бути досить точно налаштована на частоту прийнятого сигналу.
2. Значні розміри, через що рамкова антена набула поширення тільки у професіоналів радіозв'язку. Чим більше розмір антени, тим вище її ефективність.
3. Високий вихідний опір.
Отже, рамкова антена це резонансний LC-контур, т. Е. З'єднані паралельно котушка і конденсатор.
Для настройки резонансного контуру на потрібну частоту конденсатор зроблений змінним. Лінії змінного магнітного поля проходять через витки котушки, і збуджують в резонансному контурі коливання струму, якщо частота передачі збігається або близька до частоті настройки коливального контуру. У коливальному контурі виникає резонанс напруг і струмів. Тепер ми можемо подати цю досить слабку енергію на вхід приймача.
Рамкові антени були особливо популярні на початку ери радіо, але після переходу мовлення на FM в кінці 50-х років вони поступово пішли в небуття. Проте вимогливий слухач діапазону середніх хвиль безсумнівно повинен звернути увагу на рамкову антену, так як їх характеристики прийому виключно хороші.
[Простий експеримент]
Оптимальна форма рамкової антени - коло. Однак така форма для необхідного розміру антени трудомістка у виготовленні, тому обмежуються формою у вигляді прямокутника або квадрата. Для першого експерименту нам знадобиться портативний приймач середніх хвиль, близько 20 метрів ізольованого проводу (найкращі результати дає багатожильний провід літцендрата [3]), коробка з-під взуття і роторний змінний конденсатор ємністю приблизно 500 пФ. Покладіть коробку на стіл, і намотайте по її периметру 20.25 витків. Початок і кінець обмотки підключіть до статора і ротора змінного конденсатора. Напрямок витків і полярність підключення до конденсатору початку і кінця обмотки не мають значення.
Поставте коробку вертикально, і помістіть поруч з нею включений приймач. Налаштуйтеся на якусь радіостанцію, і після цього покрутіть ручку змінного конденсатора рамкової антени. Ви помітите, що при певному положенні ротора конденсатора прийом стає якісніше і голосніше. Повторіть те ж саме зі станцією на іншій частоті, сигнал якої слабкіше. Ви знову помітите, що прийом станції при точній настройці рамкової антени стає голосніше.
При повороті ручки ротора конденсатора його ємність змінюється, отже також змінюється і резонансна частота контуру. Коли прийом найголосніше, резонансна частота контуру збігається з частотою несучої передавальної станції. При резонансі в котушці коливального контуру рамкової антени створюється посилене змінне магнітне поле, яке індуктивно впливає на феритову антену, встановлену всередині корпусу портативного приймача. Рівень сигналу збільшується, що покаже індикатор S-метра приймача (якщо він є). Зверніть увагу, що положення магнітної антени приймача щодо рамкової антени впливає на якість прийому - найбільший рівень сигналу спостерігається, коли стержень магнітної антени спрямований перпендикулярно до площини витків котушки рамкової антени. При повороті антени в горизонтальній площині (разом з приймачем) рівень сигналу також змінюється. Це демонструє спрямований характер діаграми чутливості рамкової антени.
[Математичний апарат]
Перш ніж зайнятися практичним виготовленням рамкової антени давайте спочатку розглянемо формули для її розрахунку.
Як уже згадувалося, рамкова антена по суті складається з коливального контуру. Частота резонансу коливального контуру обчислюється за такою формулою:
1
f = --------------------
2 · pi · (L · C) 1/2
Значення частоти виходять в герцах, значення ємності та індуктивності в Фарада і Генрі. Приклади розрахунку частоти коливального контуру:
1
f = ------------------------------------------
2 · pi · ((180 · 10-6) · (499 · 10-12)) 1/2
f = 530 кГц.
1
f = ------------------------------------------
2 · pi · ((180 · 10-6) · (49 · 10-12)) 1/2
f = +1695 кГц.
Примітка: в Інтернеті можна знайти зручні калькулятори для розрахунку параметрів коливального контуру, см. [4, 5].
Ви напевно звернули увагу, що в наведених вище розрахунках індуктивність 180 мкГн підібрана таким чином, що зміною ємності змінного конденсатора від 50 до 500 пФ зміна резонансної частоти охоплює діапазон мовлення на середніх хвилях (СВ або MW). Такі значення індуктивності і ємності були обрані свідомо, щоб можна було легше знайти конденсатор від якогось старого лампового радіоприймача. Часто подібний конденсатор складається з двох секцій, максимальна ємність кожної секції становить 495 пФ.
Тепер нам потрібна котушка, її ми виготовимо самостійно. Це (принаймні візуально) найважливіший компонент рамкової антени. Однак розрахувати котушку не так просто. У розрахунку потрібно враховувати як розміри котушки і її геометрію, так і крок витків. З двадцятих років 19-го століття у нас є такі діаграми, за якими можна приблизно розрахувати найважливіші характеристики котушки (малюнок з довідника "Tabellen und Formeln fur Radioamateure", von Hans Gunther, Dr.H.Kronke, F.Herkenrath, Frank ' sche Verlagsbuchhandlung Stuttgart, 1924).
Примітка: 1 англійський фут = 304,8 мм, і 1 дюйм = 25,4 мм. Отже, рамка 6 футів висоти з 40 витками і кроком витків 7/16 дюйма вийде найдешевшим рішенням, з фактором ефективності 9.3. Це відповідає висоті рамки 183 см, де 40 витків розподілені по рамці з кроком 1.1 см. Антена такого розміру була б непростий для домашнього виготовлення і розміщення.
Цей варіант виготовлення відповідає оптимальним умовам, що базуються на якості котушки і як наслідок на якості коливального контуру. Однак при практичній реалізації рамкової антени слід знайти компроміс між ефективністю антени і її можливим геометричним розміром. У наведеному нижче керівництві розміри антени були зменшені, щоб їй можна було простіше користуватися.
[Типи котушок]
На практиці можна реалізувати кілька варіантів намотування котушки рамкової антени. Нижче автор [2] дає деякі готові варіанти котушок, розраховані для самої низької частоти середніх хвиль (531 кГц) і змінного конденсатора 50-500 пФ. У кожному варіанті використовувалася мідна емальований дріт діаметром від 1.2 до 1.4 мм, або багатожильний високочастотний літцендрата зовнішнім діаметром від 0.8 до 1.2 мм.
Кругла циліндрична котушка, намотана виток до витка, без зазору між витками:
Кругла циліндрична котушка, витки якої намотані з певним кроком:
Квадратно-призматична одношарова котушка:
Плоска котушка у вигляді багатокутника:
Індуктивність, мкГн H 180 
Кількість витків w 16 Кількість сегментів n 8 Середній радіус, мм r 334 Довжина намотування біля кута, мм ls 300 Внутрішній радіус, мм ri 184 Зовнішній радіус, мм ra 484 Сторона багатокутника всередині, мм si 260 Сторона багатокутника зовні, мм sa 685 Довжина проводу , м l 33.6 Відстань між витками біля кута, мм a 19 Крок витків біля кута, мм geck 20
[Практичний посібник з виготовлення рамкової антени діапазону СВ від DL3RTL]
Основна ідея цього варіанту реалізації заснована на виборі розумного компромісу між якістю прийому і використовуваними матеріалами, які можна легко дістати.
Провід й старий конденсатор можна знайти на будь-якому радіоринку. Підійде провід в емалевої ізоляції, але найкраще використовувати багатожильний літцендрата в шовкової ізоляції. Дерев'яні планки можна взяти від упаковок фруктів або меблів, або їх можна купити в будівельному магазині.
Ось загальний список матеріалів і компонентів:
МатеріалКількістьОдиниці виміру
Дерев'яна рейка 2 Приблизно 12 см Дерев'яна підставка 1 Приблизно 20x20 см Конденсатор змінної ємності з верньєром 1 Максимальна місткість не менше 500 пФ Коаксіальний кабель з хвильовим опором 50 Ом - Приблизно 2 м Залізні куточки 7 - Шурупи 28 - Мідний емальований провід товщиною 0.5 мм 20 Метр Конектор для кабелю антени 1 Відповідний для 50 Ом входу Вашого приймача
Схема для виготовлення:
Діапазон перекриття діапазону частот антени становить від 510 до 1750 кГц.
Електричні і механічні параметри антени:
ПараметрПозначенняВеличина
Індуктивність, мкГн H ~ 180 Кількість витків w 11 Відстань від першого до останнього витка, мм ls 110 Крок витка, мм gs 10 Довжина сторони внутрішнього витка, мм si ~ 520 Довжина сторони зовнішнього витка, мм sa ~ 650 Довжина несучої планки , мм m 900
Покрокове керівництво по виготовленню. Спочатку зробіть хрест з дерев'яних смуг. Для їх фіксації автор використовував посередині чотири металевих куточки (див. Фотографії).
Після цього в кожній смузі зробіть 12 маленьких пропилов для укладання дроти. Пропили краще робити під невеликим кутом до центру котушки, тому що провід після намотування може злегка ослабнути і вивалитися з пазів. Покладіть хрест на землю і протягніть в пропиляні пази провід, щоб вийшло 11 витків у великій котушці. Кінці котушки підключіть безпосередньо до клем змінного конденсатора, провід повинен спускатися до конденсатору на відстані не менше 10 см від котушки.
Порада: при виготовленні антени якнайменше використовуйте паяні з'єднання, і тим більше не слід облужівать мідний дріт на великих ділянках. Справа в тому, що високочастотні струми поширюються в основному по поверхні дроту, а припій має підвищений опір, і як наслідок добротність котушки і всього контуру погіршиться. Найкраще для з'єднання проводів робити за допомогою спеціальних клем і кінцевих втулок, які застосовуються в електриці для монтажу. Перед установкою клеми потрібно переконатися, що емальована ізоляція з дроту знята, щоб забезпечити надійність контакту.
Резонансний контур готовий. Але нам ще потрібно підключити коаксіальний кабель для передачі сигналу на вхід приймача. Якби ми підключили вхід приймача безпосередньо до коливального контуру, то напруга на ньому різко впало б, тому що вхідний опір приймача занадто мало в порівнянні з опором коливального контуру в момент його резонансу. Тому нам потрібно узгодити вхід приймача з коливальним контуром за допомогою індуктивного зв'язку. Для цього в центрі рамки потрібно помістити ще один виток, який буде підключений до коаксіального кабелю. Вийде трансформатор опорів з коефіцієнтом приблизно 1/10. Підключіть до кінців витка зв'язку коаксіальний кабель, інший кінець якого буде підключений до входу приймача.
Можливо Ви звернули увагу, що ця антена не має заземлення. Так і повинно бути, це дуже важливий момент. Залишилося закріпити хрест вертикально на підставці, і антена готова.
Рамкову антену можна також виготовити і для інших діапазонів радіохвиль. Автор виготовив антену з великою кількістю витків, щоб за допомогою перемичок можна було перекривати діапазон від довгих хвиль (ДВ, LW) до середніх хвиль (СВ, MW). Існують магнітні антени на діапазон коротких хвиль, наприклад такі антени застосовуються для військової апаратури зв'язку. Але в аматорських умовах виготовити подібну антену дуже складно.
[Посилання]
1. DIE RAHMENANTENNE IN THEORIE UND PRAXIS site: fading.de.
2. BAUANLEITUNG EINER RAHMENANTENNE site: fading.de.
3. Літцендрата Вікіпедія site: wikipedia.org.
4. Коливальний контур LC site: tel-spb.ru.
5. Розрахунок резонансної частоти коливального контуру .
6. Plastic Fantastic Magnetic Loop Linear actuator drive site: vk4zxi.blogspot.com.
7. The "Hula Loop" Medium Wave DX Antenna site: hard-core-dx.com.
