Магнитная антенна своими руками

При упоминании магнитной антенны как-то сразу приходят с голову те, что на ферритовом стержне, и это отчасти правильно. Все это разновидности одного и того же типа устройств. Магнитной называется рамочная антенна, периметр которой много меньше длины волны. Всем известные зигзаг и биквадрат (почти одно и то же) также являются родственниками рассматриваемой технологии. И совсем к ним никакого отношения не имеют антенны на магнитном основании. Это просто способ крепления не более того. Магнитное основание для антенны надежно удерживает ее на крыше любого авто. Мы же говорим сегодня об особой конструкции. Вся прелесть магнитных антенн в том, что удается обеспечить сравнительно большое усиление на сравнительно длинных волнах. При этом размер магнитной антенны достаточно мал. Давайте обсудим наше заглавие и расскажем, как может быть сделана магнитная антенна своими руками.

Магнитная антенна

Магнитная антенна

Магнитные антенны

Из теории известно, что в колебательном контуре из катушки индуктивности и конденсатора излучения почти что не происходит. Оно все замкнуто, и волна может качаться на резонансной частоте сколь угодно долго, затухая, ввиду наличия активного сопротивления. Да, элементы контура, индуктивность и емкость, в общем-то имеют чисто реактивный (мнимый) импеданс. Причем размер зависит от частоты по довольно незамысловатому закону. Это нечто вроде произведения круговой частоты ( 2 П f) на значение индуктивности или емкости, соответственно. И вот при некотором значении противоположные по знаку мнимые компоненты становятся равны. В результате импеданс становится чисто активным, в идеале он равен нулю.

В действительности биения все же затухают, потому что каждый контур на практике характеризуется добротностью. Напомним, что импеданс состоит из чисто активной (действительной) части, как например, резисторы, и мнимой. К последним относятся емкости, сопротивление которых мнимое отрицательное и индуктивности с положительным мнимым сопротивлением. Теперь представим, что в контуре обкладки конденсатора начали разводить до тех пор, пока они не оказались на противоположных концах индуктивности. Это называется вибратором (диполем) Герца, и представляет собой разновидность укороченного полуволнового и прочих видов вибраторов.

Если же взять и превратить катушку в единое кольцо, то мы получаем простейшую магнитную антенну. Это очень упрощенное толкование, но примерно так оно и есть. Причем сигнал снимается с противоположной от конденсатора стороны через усилитель на полевых транзисторах. Это обеспечивает высокую чувствительность устройства. Ну, а антенна на ферритовом стержне является разновидностью магнитной, только у нее колец множество вместо одного. Свое название этот род устройств получил за высокую чувствительность именно к магнитной составляющий волны. В частности, при работе на передачу генерируется как раз она, порождая отклик электрического поля.

Максимум направленности соответствует оси стержня. Причем оба направления равноправны. Ввиду малого периметра рамочной антенны относительно длины волны сопротивление ее достаточно низкое. Это может быть не просто 1 Ом, но даже и доли Ома. Приближенно значение можно оценить по формуле:

R = 197 (U / λ)4 Ом.

Под U понимается периметр в метрах, в тех же единицах, что и длина волны λ. Наконец, R – сопротивление излучению, не нужно путать его с активным, которое показывает тестер. Этот параметр используется при расчете усилителя для согласования нагрузки. Следовательно, для ферритовых антенн, нужно это значение помножить еще на квадрат числа витков.

Свойства магнитных антенн

А теперь посмотрим, как сделать магнитную антенну самостоятельно. Для начала следует определить длину окружности и емкость подстроечного конденсатора. Вообще-то особенности магнитной антенны таковы, что она требует согласования в обязательном порядке, но об этом как-нибудь в другой раз. Дело в том, что отличительным признаком является невероятное число вариантов проведения этой операции, так что вырисовывается отдельная тема для разговора.

Антенна магнитная

Антенна магнитная

Длина периметра магнитной антенны колеблется в пределах от 0,123 до 0,246 λ. Если требуется перекрыть весь этот диапазон, то нужно правильно подобрать конденсатор. В свободном пространстве и магнитной антенны диаграмма направленности в виде тора, что и можно наблюдать, расположив виток параллельно земле. Поляризация при этом будет линейная горизонтальная. То есть это отличный вариант для приема телевещания. Недостаток в том, что угол возвышения лепестка зависит от высоты подвеса. Считается, что для расстояния до Земли  λ он составит 14 градусов. И это непостоянство является отрицательным качеством. А вот для радио магнитные антенны применяются достаточно часто.

Усиление составляет 1,76 дБи, что на 0,39 меньше, чем у полуволнового вибратора. Но размер последнего для этой частоты составит десятки метров – ну, куда денешь такую громадину? Выводы делайте сами. Наша магнитная антенна не так уж и велика (периметр может составлять 2 метра для длины волны 20 метров, это меньше метра в поперечнике). Для сравнения на частоте 34 МГц, с которой хорошо знакомы дальнобойщики, благодаря рациям, длина волны составляет 8,8 метра. При этом каждый знает, что хороший полуволновый вибратор вместит не каждый Камаз. И, кстати, ранее мы приводили уже описание конструкции рамочной антенны, образуемой резиновой прокладкой заднего стекла легкового автомобиля ВАЗ. При всех ее малых габаритах работало устройство достаточно хорошо.

Кстати, такая конструкция считается более прагматичной, нежели типичные штыревые антенны для авто, где настройка ведется изменением индуктивности. Потерь получается меньше. Кроме того диаграмма направленности охватывает достаточно высокие углы места, почти до вертикали. В случае со штыревой антенной этой возможности не имеется.

Самодельная антенна

Самодельная антенна

Но как же правильно выбрать длину окружности? С ее увеличением растет усиление. То есть она должна удовлетворять условию, приведенному выше, и быть по возможности больше. При этом не стоит забывать, что иногда нужно перекрыть несколько частот. Кроме того с ростом периметра увеличивается полоса пропускания устройства. Нужно сказать, при ширине типичного канала в 10 кГц это не так важно. Кроме того будут автоматически отсекаться соседние несущие станций вещания. В этом смысле больше вовсе не обязательно значит лучше. Не забывайте однако, что ради усиления и затевался весь сыр-бор. Таким образом, антенна выбирается по периметру максимальной с обеспечением нужной избирательности.

Теперь главный вопрос: как определить емкость? Так, чтобы вместе с индуктивностью петли они образовали резонанс по известной формуле. Что касается определения параметров контура, то для него дана такая формула:

L = 2U (ln(U/d) – 1,07) нГн;

где U и d – длина витка и его диаметр. В чем здесь подвох? U = П d, следовательно, вместо их отношения можно было бы брать натуральный логарифм числа Пи. Ошибка ли это автора, сказать не беремся. Быть может, учитывается тот факт, что настроечный конденсатор отнимает часть длины, а также и усилитель… Емкость же находим по известной индуктивности из выражения для резонанса контура:

f = 1/ 2П √LC; откуда

С = 1/ 4П2 L f2.

Однако в литературе рекомендуют пользоваться приближенной формулой для расчета:

С = 25330 / f2 L,

где f — частота резонанса в МГц, а L – индуктивность в мкГн.

Принцип работы антенны

Принцип работы антенны

Что касается способа снятия сигнала, то это можно делать со стороны подстроечного конденсатора по обоим его бокам, либо с противоположной стороны круговой петли. В последнем случае рекомендуется ввести дистанционное управление конденсатором при помощи серводвигателя, но мы полагаем, что большинству читателей это покажется сильно надуманным, поскольку на свете не так много радиолюбителей, уверенных, что магнитная антенна своими руками именно то, что больше всего нужно.

Какие бывают магнитные антенны

Не всегда магнитные антенны круглые, хотя это и идеальная форма. Встречаются также восьмиугольные и квадратные. Читатели уже догадались, что биквадрат для WiFi относится именно к последней категории, причем рамка сдвоенная. Бывает и больше контуров, что увеличивает усиление в одной из плоскостей диаграммы направленности. Учитывая тот факт, что КПД антенны вычисляется по формуле:

КПД = 1 / (1 + Rп/R),

получаем необходимость снижения сопротивления потерь Rп до минимума. В противном случае эффективность устройства резко падает. На практике это почти ничего не означает, потому что сделать антенны из золота или серебра, чтобы увеличить проводимость, мало кому по карману. В данном аспекте в ход все равно пойдут алюминий и медь, отдавайте предпочтение последнему металлу. Для магнитных антенн хорошо подходит конденсатор с воздушным зазором и большими пластинами. Старайтесь качественно выполнить пайку выводов.

Пример. Длина периметра составляет одну десятую λ, следовательно, сопротивление излучения составит 0,02. Теперь читатели видят, как сильно нужно постараться, чтобы довести КПД до 50%. Сопротивление потерь в этом случае не должно превышать 0,02 Ом. Чтобы достичь такого результата берите толстую медную жилы. С увеличением сечения проводника падает его удельное сопротивление.

Из-за того, что у контура очень высокая добротность (низкие потери) получается, что напряжение резонанса много выше, нежели при отклонении частоты. Следовательно, полоса пропускания магнитной антенны не отличается большой шириной, и нужно устройство подстраивать. Это делается, как можно догадаться из написанного выше при помощи конденсатора. Мы надеемся, что ответили на вопрос, как сделать магнитную антенну.

Читайте также:  Фрактальные антенны своими руками