Рамочная антенна

Ферритовая петлевая антенна — небольшая петля, используемая для приема AM в портативных радиоприемниках и состоящая из провода, намотанного на ферритовый сердечник ; Самый распространенный тип рамочной антенны на сегодняшний день.

Рамочная антенна — это радиоантенна , состоящая из петли или катушки провода, трубки или другого электрического проводника , который для передачи обычно питается от сбалансированного источника питания, а для приема — от сбалансированной нагрузки. В этом физическом описании есть два (возможно, три) различных типа:

Большие рамочные антенны

Большие петли также называют саморезонансными рамочными антеннами или двухполупериодными петлями ; они имеют периметр, близкий к одной или нескольким целым длинам волн на рабочей частоте , что делает их саморезонансными . на этой частоте. Они являются наиболее эффективными из всех типов антенн как для передачи, так и для приема. Большие рамочные антенны имеют двухлепестковую диаграмму направленности при первом полноволновом резонансе с максимумом в обоих направлениях, перпендикулярных плоскости петли. наиболее эффективными Большие контуры являются на порядок из всех конструкций антенн аналогичного размера.

Гало- антенны

Ореолы часто объясняют как укороченные диполи , согнутые в круглую петлю, концы которой не совсем соприкасаются. Некоторые авторы предпочитают исключать их из рамочных антенн, поскольку их можно хорошо понимать как изогнутые диполи , другие считают гало промежуточной категорией между большими и маленькими петлями или крайним верхним пределом размера для маленьких передающих рамок : По форме и характеристикам гало-антенны очень похожи на маленькие петли, отличающиеся только тем, что они саморезонансны и имеют гораздо более высокую радиационную стойкость . (Смотрите обсуждение ниже )

Маленькие рамочные антенны

Маленькие петли также называются магнитными петлями или настроенными петлями ; они имеют периметр, меньший половины рабочей длины волны (обычно не более ⁠  1  / 3 ⁠ ~ ⁠ 1/4 ​ ⁠ )   волна . Они используются в основном как приемные антенны, но иногда используются для передачи, несмотря на их пониженную эффективность ; петли с окружностью меньше примерно ⁠ 1/10 становятся настолько неэффективными , длины ⁠ волны что редко используются для передачи. Типичным примером маленькой петли является ферритовая (рамочная) антенна, используемая в большинстве радиостанций AM-вещания. Диаграмма направленности малых рамочных антенн максимальна в направлениях внутри плоскости петли, поэтому перпендикулярна максимумам больших рамок.

Маленькие циклы делятся на два подтипа в зависимости от цели, для которой они оптимизированы:

Получение

Маленькие приемные петли представляют собой компактные антенны, оптимизированные для улавливания радиоволн, длина которых намного превышает их размер, тогда как полноразмерные антенны были бы либо невозможны, либо невозможны. Если их периметры короче ⁠ 1/10 лучше , пеленгование ⁠ волны , они имеют исключительно точные «нулевые» направления (где сигнал исчезает), что дает крошечной антенне чрезвычайно точное , чем большинство антенн умеренного размера, и не хуже многих огромных антенн.

Передача

Небольшие передающие контуры оптимизированы для компактных антенн, которые являются «наименее худшими» излучателями сигнала. Маленькие антенны любого типа неэффективны , но когда полноразмерная антенна нецелесообразна, создание небольшой петли с периметром, максимально близким к ⁠ 1/2 , ⁠ ), делает маленький контур лучше для передачи, хотя волны насколько это возможно (хотя обычно не более 0,3 волны он жертвует или полностью теряет точное «нулевое» направление меньших маленьких петель.

Большие саморезонансные рамочные антенны

При описании больших контуров в этом разделе предполагается, что рабочая частота радиоприемника настроена на первый резонанс рамочной антенны. На этой частоте целая длина волны в свободном пространстве немного меньше периметра петли, что является наименьшим размером, которым может быть «большая» петля.

Саморезонансные рамочные антенны для так называемых «коротковолновых» частот относительно велики, их периметр чуть больше предполагаемой рабочей длины волны , следовательно, для круглых рамок диаметром примерно 175 футов (53 м) самое большое, около 1,8 МГц. . На более высоких частотах их размеры становятся меньше, падая до диаметра около 11 футов (3,4 м) на частоте 30 МГц.

Большие рамочные антенны можно рассматривать как сложенный диполь , параллельные провода которого разделены на части и приданы овальную или многоугольную форму. Форма петли может быть кругом, треугольником, квадратом, прямоугольником или фактически любым замкнутым многоугольником, но для резонанса периметр петли должен быть немного больше длины волны.

Форма

представляет Счетверенная антенна собой саморезонансную петлю квадратной формы; этот также включает в себя паразитный элемент .

Рамочные антенны могут иметь форму круга, квадрата или любой другой замкнутой геометрической формы, позволяющей иметь общий периметр, немного превышающий одну длину волны. Самая популярная форма в любительском радио - это счетверенная антенна или «четверка», саморезонансная петля квадратной формы, которую можно сконструировать из проволоки, натянутой на опорную раму в форме буквы « × ». Может быть один или несколько дополнительных контуров, расположенных параллельно первому в качестве «паразитного» директора и/или элемента(ов) отражателя , создавая антенную решетку однонаправленную с усилением , которое увеличивается с каждым дополнительным паразитным элементом. Эту конструкцию также можно повернуть на 45 градусов в форме ромба, опираясь на рамку в форме « + ». Треугольные петли (« △ ») также использовались для вертикальных петель, поскольку их можно поддерживать на одной мачте. Прямоугольник, высота которого в два раза превышает его ширину, обеспечивает немного увеличенный коэффициент усиления, а также напрямую соответствует 50 Ом , если используется как одиночный элемент.

В отличие от дипольной антенны , поляризация резонансной рамочной антенны не очевидна из ориентации самой петли, а зависит от расположения ее точки питания. Если снизу подать вертикально ориентированную петлю, ее излучение будет горизонтально поляризованным; подача его сбоку сделает его вертикально поляризованным.

Диаграмма направленности

Диаграмма направленности рамочной антенны первого резонанса достигает пика под прямым углом к ​​плоскости петли. По мере увеличения частоты до второго и третьего резонансов перпендикулярное излучение затухает и возникают сильные лепестки вблизи плоскости петли.

На более низких коротковолновых частотах полная петля физически довольно велика, и ее единственная практическая установка - это «лежать ровно», при этом плоскость петли горизонтальна земле, а антенный провод поддерживается на той же относительно небольшой высоте мачтами по ее периметру. . Это приводит к образованию горизонтально поляризованного излучения, пик которого приближается к вертикали вблизи самой низкой гармоники; эта схема хороша для региональной связи NVIS , но, к сожалению, в целом бесполезна для установления контактов континентального масштаба.

На частотах выше 10 МГц петля имеет диаметр примерно 10 метров, и становится более практичным устанавливать петлю «стоя», то есть так, чтобы плоскость петли была вертикальной, чтобы направить ее главный луч к горизонту. Если частота достаточно высока, петля может быть достаточно маленькой, чтобы ее можно было прикрепить к вращателю антенны и вращать в нужном направлении. По сравнению с диполем или сложенным диполем, вертикальная большая петля тратит меньше мощности, излучаемой в сторону неба или земли, что приводит к увеличению усиления примерно на 1,5 дБ в двух предпочтительных горизонтальных направлениях.

Дополнительный коэффициент усиления (и однонаправленная диаграмма направленности ) обычно получается с помощью массива таких элементов либо в виде ведомого массива с концевым пламенем , либо в конфигурации Yagi – при этом только один из контуров приводится в действие питающей линией, а все остальные контуры являются «активными ». паразитные» рефлекторы и директора. Последний широко используется в радиолюбительстве в конфигурации «четверка» (см. фото).

Низкочастотные одноволновые петли «лежа» иногда используются для местной NVIS связи . Иногда это называют ленивым квадом . Его диаграмма направленности состоит из одной доли, направленной вверх (излучение, направленное на землю, которое не поглощается, отражается обратно вверх). На диаграмму направленности и особенно на входное сопротивление влияет близость к земле.

При подаче более высоких частот входное сопротивление антенны обычно включает реактивную часть и другой резистивный компонент, что требует использования антенного тюнера . Когда частота увеличивается выше первой гармоники, диаграмма направленности распадается на несколько лепестков, пик которых приходится на меньшие углы относительно горизонта, что является улучшением для связи на большие расстояния на частотах, значительно превышающих вторую гармонику контура.

Гало-антенны

Основная статья: Антенна Halo

Гало-антенну часто описывают как полуволновую дипольную антенну , изогнутую в форме круга.Хотя его можно отнести к категории изогнутого диполя, его всенаправленная диаграмма направленности почти такая же, как у небольшой петли. Гало более эффективно, чем маленькая петля, так как это антенна большего размера. ⁠ 1/2 ⁠ радиационной волны по окружности с непропорционально большей стойкостью . Из-за своей гораздо большей радиационной стойкости ореол по сопротивлению хорошо соответствует коаксиальному кабелю сопротивлением 50 Ом , а его конструкция менее требовательна, чем небольшая петля, поскольку изготовителю не приходится проявлять такую ​​чрезвычайную осторожность, чтобы избежать потерь из-за посредственных проводников и контактное сопротивление.

В ⁠ 1/2 маленьких ⁠ петель волны, гало-антенна находится вблизи или на самом верхнем пределе диапазона размеров «маленьких» петель , но в отличие от большинства большого размера , ее можно проанализировать с помощью простых методов, рассматривая ее как изогнутый диполь .

Практическое использование

Устанавливаемая на крыше автомобиля 6-метровая гало-антенна для мобильной любительской радиосвязи ( WA8FJW ) . Обратите внимание на тройную петлю.

На диапазонах ОВЧ и выше физический диаметр гало достаточно мал, чтобы его можно было эффективно использовать в качестве мобильной антенны.

Горизонтальная диаграмма направленности горизонтального гало почти всенаправлена ​​– с точностью до 3 дБ или меньше – и это можно выровнять, немного уменьшив петлю и увеличив емкость между концами элемента. Это не только выровняет усиление, но и уменьшит восходящее излучение, которое для ОВЧ обычно тратится впустую: оно излучается в космос.

Ореолы воспринимают меньше электрических искровых помех, чем монополи и диполи — например, шум зажигания от транспортных средств.

Электрический анализ

Несмотря на внешне другой внешний вид, гало-антенну удобно рассматривать как диполь (который также имеет полуволновую излучающую часть с высоким напряжением и нулевым током на концах), согнутый в круг. Простое использование результатов диполя значительно упрощает расчеты и по большинству свойств совпадает с гало. Характеристики гало также можно смоделировать с помощью методов, используемых для аналогичных «маленьких» передающих контуров среднего размера , но для краткости этот сложный анализ часто опускается во вводных статьях по рамочным антеннам (к сожалению, это типичное упущение оставляет в неведении хорошо начитанных людей). свойств «больших» малых петель ).

Разрыв в ореоле

Некоторые авторы ошибочно считают зазор в петле гало-антенны, чтобы отличить ее от небольшой рамочной антенны нет соединения постоянного тока , поскольку между двумя концами это различие утрачено . Но в РФ ; близко изогнутые концы высокого напряжения связаны емкостно, и РЧ ток пересекает зазор как ток смещения .Зазор в ореоле электрически эквивалентен настроечному конденсатору в небольшой петле , хотя используемая побочная емкость не так велика.

Маленькие петли

Несмотря на полный диаметр 2,7 м (9 футов), эта приемная антенна представляет собой «маленькую» петлю по сравнению с длинами волн НЧ и СЧ, с которыми она используется.

Маленькие петли «маленькие» по сравнению с их рабочей длиной волны. В отличие от диаграммы направленности больших рамочных антенн, мощность приема и излучения маленьких рамок достигает пика внутри плоскости петли, а не сбоку (перпендикулярно) ей.

Как и все антенны, физически намного меньшие рабочей длины волны, маленькие рамочные антенны имеют небольшое сопротивление излучения , которое затмевается омическими потерями , что приводит к низкой эффективности антенны . Поэтому они в основном используются в качестве приемных антенн на более низких частотах (длины волн от десятков до сотен метров). Как и у короткой дипольной антенны , сопротивление излучения невелико. Радиационная стойкость $\ R_{\mathsf {rad}}\$ пропорционален квадрату площади:

$R_{\mathsf {rad}}\approx 31.2{\mathsf {\ k\Omega \ }}\left({\frac {\ N\ A\ }{\lambda ^{2}}}\right)^{2}$

где A — площадь, охватываемая петлей, λ — длина волны, а N — количество витков проводника вокруг петли.

Из-за более высокого показателя степени, чем у линейных антенн (квадрат площади петли ≈ периметр в 4-й степени, по сравнению с квадратом длины диполя и монополя = 2-я степень) падение R _рад с уменьшенным размером более сильное. Возможность увеличения радиационной стойкости R _рад за счет использования нескольких витков аналогична созданию диполя из двух или более параллельных линий для каждого плеча диполя (« свернутый диполь »).

Маленькие петли имеют преимущества в качестве приемных антенн на частотах ниже 10 МГц. Хотя потери в маленьком контуре могут быть высокими, одни и те же потери относятся как к сигналу, так и к шуму, поэтому отношение сигнал/шум приема маленького контура может не ухудшаться на этих более низких частотах, где принимаемый шум преобладает атмосферный шум. и статический, а не внутренний шум приемника . Возможность более управляемого поворота антенны меньшего размера может помочь максимизировать сигнал и устранить помехи.Чтобы гарантировать, что нулевые направления небольших приемных контуров будут «острыми», используется несколько методов построения, включая добавление нарушенного экранирования плеч контуров и поддержание периметра вокруг ⁠ 1/10 ⁠ длины или волны ( ⁠ 1/4 ⁠ волны . максимум) Вместо этого периметры небольших передающих контуров делаются настолько большими, насколько это возможно, вплоть до ⁠ 1/3 или ⁠ волна ( даже ⁠ 1 / 2 ⁠, если возможно), чтобы максимально повысить их обычно низкую эффективность, хотя при этом приходится жертвовать резкими нулями.

Малая рамочная антенна также известна как магнитная петля. поскольку отклик электрически малого приемного контура пропорционален скорости изменения магнитного потока через контур. На более высоких частотах (или более коротких длинах волн), когда антенна уже не электрически мала, распределение тока в контуре может перестать быть равномерным, и взаимосвязь между ее откликом и падающими полями становится более сложной. В случае передачи поля, создаваемые электрически малой петлей, аналогичны «бесконечно малому магнитному диполю», ось которого перпендикулярна плоскости петли.

Из-за их низкой радиационной стойкости свойства небольших контуров чаще подвергаются интенсивной оптимизации, чем полноразмерных антенн, а свойства, оптимизированные для передачи, не совсем такие же, как для приема. В полноразмерных антеннах взаимность между передачей и приемом обычно делает различия несущественными, но поскольку некоторые радиочастотные свойства, важные для приема, отличаются от свойств для передачи – особенно ниже примерно 10–20 МГц – небольшие петли, предназначенные для приема, немного отличаются от небольшие передающие петли. Они обсуждаются отдельно в следующих двух подразделах, хотя многие комментарии относятся к обоим.

Маленькие приемные петли

Небольшая рамочная антенна, используемая для приема, состоящая примерно из 10 витков вокруг прямоугольника размером 12 на 10 см (4,5 на 4 дюйма).

Если периметр рамочной антенны намного меньше предполагаемой рабочей длины волны, скажем, ⁠ 1 / 8 ⁠ до ⁠ 1/100 ⁠ длины . волны – тогда антенна называется малой приемной рамкой, поскольку такие маленькие рамочные антенны практичны только для приема Некоторые факторы производительности, включая получаемую мощность, масштабируются пропорционально площади контура. Для данной площади петли длина проводника (и, следовательно, его чистое сопротивление потерь ) минимизируется, если периметр имеет круглую форму, что делает круг оптимальной формой для небольших петель. Небольшие приемные контуры обычно используются на частотах ниже 14 МГц, где доминируют искусственный и естественный атмосферный шум. Таким образом, низкая эффективность не будет отрицательно влиять на отношение сигнал/шум принимаемого сигнала, пока контур не будет слишком мал.

Типичный диаметр приемных петель с «воздушными центрами» составляет от 30 до 100 см (от 1 до 3,5 футов). Чтобы увеличить магнитное поле в контуре и, следовательно, его эффективность, при значительном уменьшении размера, катушку с проводом часто наматывают на из ферритового стержня магнитный сердечник ; это называется ферритовой рамочной антенной. Такие ферритовые рамочные антенны используются почти во всех приемниках АМ-вещания, за исключением автомобильных радиоприемников . поскольку антенна для диапазона AM должна находиться за пределами мешающего металлического шасси автомобиля.

Маленькие рамочные антенны также популярны для радиопеленгации , отчасти из-за их чрезвычайно резкого и четкого «нулевого значения» вдоль оси петли: когда ось петли направлена ​​прямо на передатчик, целевой сигнал резко исчезает.

Количество атмосферных шумов для спектра НЧ , СЧ и ВЧ согласно CCIR 322. На диаграмме показано, как как искусственный шум («помехи», «QRM»), так и естественный атмосферный шум («статический», «QRN») резко падают выше 20 МГц, но когда частоты падают ниже 10 МГц, их совокупная мощность возрастает, как частота падает.

Сопротивление излучения R _рад небольшой петли обычно намного меньше, чем сопротивление потерь R _ℓoss из-за проводников, составляющих петлю, что приводит к плохой эффективности антенны . Следовательно, большая часть мощности, подаваемой на небольшую рамочную антенну, будет преобразована в тепло за счет сопротивления потерь, а не выполнять полезную работу по выталкиванию радиоволн или их сбору.

Потеря мощности нежелательна для передающей антенны, однако для приемной антенны неэффективность не важна на частотах ниже примерно 15 МГц. На этих более низких частотах атмосферный шум (статический) и техногенный шум ( радиочастотные помехи ) даже слабый сигнал от неэффективной антенны намного сильнее, чем внутренний тепловой шум или шум Джонсона, генерируемый в собственной схеме радиоприемника, поэтому слабый сигнал от рамочной антенны можно усилить без ухудшения отношения сигнал/шум , поскольку оба сигнала усиливаются на один и тот же коэффициент усиления.

Например, на частоте 1 МГц искусственный шум может быть на 55 дБ выше минимального теплового шума. Если потери небольшой рамочной антенны составляют 50 дБ (как если бы антенна включала в себя аттенюатор на 50 дБ), электрическая неэффективность этой антенны будет мало влиять на отношение сигнал/шум принимающей системы .

Напротив, на более тихих частотах около 20 МГц и выше антенна с потерями 50 дБ может ухудшить принимаемое соотношение сигнал/шум до 50 дБ, что приведет к ужасным характеристикам.

Диаграмма направленности и поляризация

Диаграммы направленности рамочных антенн. Расстояние от начала координат пропорционально плотности мощности в этом направлении. Полноволновая петля (слева) излучает максимальную мощность поперек проводов с нулями по бокам, малая петля (справа) излучает максимальную мощность в плоскости своих проводов с нулями по сторонам проводов.

Удивительно, но диаграмма излучения и приема маленькой петли перпендикулярна диаграмме направленности большой авторезонансной петли (периметр которой близок к одной длине волны). Поскольку размер петли намного меньше длины волны, ток в любой момент почти постоянен по всей окружности. Из симметрии видно, что напряжения, индуцированные в обмотках контура на противоположных сторонах контура, будут компенсировать друг друга, когда на ось контура прибудет перпендикулярный сигнал. есть ноль . Следовательно, в этом направлении Вместо этого диаграмма направленности достигает максимума в направлениях, лежащих в плоскости петли, поскольку сигналы, полученные от источников в этой плоскости, не полностью компенсируются из-за разности фаз между приходом волны на ближнюю и дальнюю сторону петли. Увеличение этой разности фаз за счет увеличения размера контура приводит к непропорционально большому увеличению сопротивления излучения и, как следствие, эффективности антенны .

Другой способ рассматривать небольшую петлю как антенну — рассматривать ее просто как индуктивную катушку, связанную с магнитным полем в направлении, перпендикулярном плоскости катушки, в соответствии с законом Ампера . Затем рассмотрим распространяющуюся радиоволну, также перпендикулярную этой плоскости. Поскольку магнитные (и электрические) поля электромагнитной волны в свободном пространстве поперечны (нет компонента в направлении распространения), можно видеть, что это магнитное поле и поле небольшой рамочной антенны будут находиться под прямым углом и, таким образом, не связан. По той же причине электромагнитная волна, распространяющаяся в плоскости контура с магнитным полем, перпендикулярным этой плоскости, связана с магнитным полем катушки. Поскольку поперечное магнитное и электрическое поля распространяющейся электромагнитной волны расположены под прямым углом, электрическое поле такой волны также находится в плоскости петли, и, следовательно, поляризация антенны (которая всегда определяется как ориентация электрического поля) Говорят, что , а не магнитное поле) находится в этой плоскости.

Таким образом, установка петли в горизонтальной плоскости приведет к созданию всенаправленной антенны с горизонтальной поляризацией; вертикальная установка петли дает слабонаправленную антенну с вертикальной поляризацией, но с исключительно резкими нулями вдоль оси петли. Критерии размера, отдающие предпочтение петлям с периметром ⁠ 1/4 ⁠ волны меньше или обеспечивают резкость приема нуля петли. Маленькие контуры, предназначенные для передачи (см. ниже), проектируются настолько большими, насколько это возможно, чтобы улучшить предельное сопротивление излучению, жертвуя резким нулем за счет использования периметров, таких больших, как ⁠  1  / 3 ⁠ ~ ⁠  1  / 2 ⁠ wave .

Настройка входа приемника

Поскольку небольшая рамочная антенна по существу представляет собой катушку, ее электрический импеданс является индуктивным, причем индуктивное реактивное сопротивление намного превышает ее сопротивление излучения. Для связи с передатчиком или приемником индуктивное сопротивление обычно компенсируется параллельной емкостью. Поскольку хорошая рамочная антенна будет иметь высокую ( добротность узкую полосу пропускания), конденсатор должен быть переменным и настраиваться в соответствии с настройкой приемника.

Маленькие рамочные приемные антенны также почти всегда резонируют с помощью конденсатора с параллельными пластинами, что делает их прием узкополосным, чувствительным только к очень специфической частоте. Это позволяет антенне в сочетании с (переменным) настроечным конденсатором действовать как настроенный входной каскад для входного каскада приемника вместо преселектора .

Пеленгация с помощью небольших петель

Рамочная антенна, приемник и аксессуары, используемые в любительской радиопеленгации на длине волны 80 метров/260 футов (3,5 МГц).

Пока периметр петли остается ниже примерно ⁠ 1/4 нуль направлении, нормальном ⁠ волны, направленная характеристика небольших рамочных антенн включает резкий в к плоскости петли, поэтому небольшие петли предпочтительны в качестве компактных радиопеленгационных антенн на длинных волнах.

Процедура заключается в повороте рамочной антенны, чтобы найти направление, в котором сигнал исчезает – «нулевое» направление. Поскольку обнуление происходит в двух противоположных направлениях вдоль оси контура, необходимо использовать другие средства для определения, на какой стороне антенны «обнуленный» находится сигнал. Один из методов состоит в том, чтобы использовать вторую рамочную антенну, расположенную во втором месте, или переместить приемник в это другое место, полагаясь, таким образом, на триангуляцию .

Вместо триангуляции второй диполь или вертикальная антенна может быть электрически объединена с рамочной или рамочной антенной. Так называемая сенсорная антенна , подключение и согласование второй антенны изменяет комбинированную диаграмму направленности на кардиоидную с нулевым значением только в одном (менее точном) направлении. Общее направление передатчика можно определить с помощью сенсорной антенны, а затем отключение сенсорной антенны возвращает резкие нули в диаграмме направленности рамочной антенны, что позволяет определить точный пеленг.

Приемные антенны AM-вещания

Маленькие рамочные антенны имеют потери и неэффективны для передачи, но они могут быть практичными приемными антеннами в средневолновом (520–1710 кГц) радиовещательном диапазоне и ниже, где длина волны антенны недопустимо велика, а неэффективность антенны не имеет значения из-за больших количество атмосферного шума .

В приемниках AM-вещания (и других низкочастотных радиоприемниках для потребительского рынка) обычно используются небольшие рамочные антенны, даже если для приема FM можно подключить телескопическую антенну. подключенный Переменный конденсатор, к контуру, образует резонансный контур , который также настраивает входной каскад приемника, поскольку этот конденсатор отслеживает основную настройку. Многодиапазонный приемник может содержать точки отвода вдоль рамочной обмотки для настройки рамочной антенны на самые разные частоты.

В AM-радиоприемниках, построенных до изобретения феррита в середине 20-го века, антенна могла состоять из десятков витков провода, закрепленных на задней стенке радиоприемника ( плоская спиральная антенна ) или отдельной вращающейся антенны размером с мебель. стойка обмотана проводом – рамочная антенна .

Феррит

Ферритовая петлевая антенна от AM-радиоприемника, имеющая две обмотки: одну для приема на длинных волнах , а другую для приема на средних волнах (AM-вещание). Около 10 см (4 дюйма) в длину. Ферритовые антенны обычно заключаются внутри радиоприемника.

Ферритовые рамочные антенны изготавливаются путем намотки тонкой проволоки на ферритовый стержень. Они почти повсеместно используются в приемниках AM-вещания. Другие названия этого типа антенны — петлевая антенна , ферритовая стержневая антенна или антенна, ферроцептор или феррод-антенна . Часто на средневолновых и более низких коротковолновых частотах в качестве обмотки используется литцендрат для уменьшения потерь на скин-эффект . На всех частотах используются сложные схемы «плетения корзины», чтобы уменьшить межобмоточную емкость катушки, гарантируя, что собственный резонанс контура значительно превышает рабочую частоту, так что он действует как электрический индуктор, который может резонировать с настроечным конденсатором. , и с последующим улучшением добротности контура .

Включение магнитопроницаемого сердечника увеличивает радиационную стойкость малой петли, снижение неэффективности из-за омических потерь. Как и все небольшие антенны, такие антенны крошечны по сравнению с их эффективной площадью . Типичная рамочная антенна радиовещания AM, намотанная на феррит, может иметь площадь поперечного сечения всего 1 см. ² (0,16 кв. дюйма) на частоте, на которой идеальная антенна (без потерь) имела бы эффективную площадь в несколько сотен миллионов раз больше. Даже с учетом резистивных потерь в ферритовой стержневой антенне ее эффективная площадь приема может превышать физическую площадь контура в 100 раз.

Маленькие передающие петли

Маленькие петли передачи «маленькие» по сравнению с полной длиной волны, но значительно больше, чем «маленькие» петли только приема .Обычно они используются на частотах 14–30 МГц.В отличие от приемных контуров, размеры небольших передающих контуров необходимо увеличивать для более длинных волн, чтобы предотвратить падение сопротивления излучения до неприемлемо низкого уровня; их большие размеры размывают или стирают особенно резкие нули, которые обеспечивают маленькие приемные петли.

Размер, форма, эффективность и рисунок

рамочная антенна для радиолюбителя. Строится

Передающая петля обычно состоит из одного витка проводника большого диаметра; они обычно имеют круглую или восьмиугольную форму, чтобы обеспечить максимальную закрытую площадь для заданного периметра и, следовательно, максимизировать радиационную стойкость . Меньшие из этих контуров гораздо менее эффективны , чем выдающиеся характеристики полноразмерных саморезонансных контуров. или умеренная эффективность монополей , диполей и гало места для полноволнового контура или полуволнового диполя , небольшие контуры могут обеспечить адекватную связь с низкой, но терпимой эффективностью. , но там, где нет

Небольшая передающая рамочная антенна с периметром 10% или менее длины волны будет иметь относительно постоянное распределение тока по проводнику. а главный лепесток будет находиться в плоскости контура, поэтому они будут показывать сильный нулевой сигнал, знакомый по диаграмме направленности небольших приемных контуров. Петли любого размера от 10% до 30% длины волны по периметру и почти ровно до 50% по окружности могут быть построены и настроены с помощью последовательного конденсатора на резонанс, но их неравномерный ток уменьшит или устранит структуру маленьких петель. нулевой. Конденсатор необходим для окружности менее полуволны, дроссель для контуров более полуволны и менее полной волны.

Контуры в диапазоне размеров малых передающих контуров могут не иметь ни однородного тока, как очень маленькие контуры, ни синусоидального тока больших контуров, и, следовательно, их нельзя анализировать с использованием допущений, полезных для небольших приемных контуров, или полноволновых рамочных антенн. Производительность удобнее всего определять с помощью анализа NEC . Антенны этого диапазона размеров включают гало (см. выше) и петлю G0CWT (Edginton).Для краткости во вводных статьях о малых рамочных антеннах иногда обсуждаются петли, меньшие по окружности, чем ⁠ 1/10 , так как для петель с длины ⁠ волны окружностями больше ⁠ 1/10 упрощающее предположение об однородности ⁠ волны, тока по всей петле становится неприемлемо неточным. Поскольку более крупный ореол также поддается простому анализу, малые рамочные антенны среднего размера и их сложный анализ часто опускаются, в результате чего многие хорошо информированные производители антенн остаются в неведении относительно характеристик, достижимых с помощью умеренно маленьких рамок.

Использование для наземной мобильной радиосвязи

Небольшие вертикально расположенные петли используются в военной наземно-мобильной радиосвязи на частотах от 3 до 7 МГц из-за их способности направлять энергию вверх, в отличие от обычной штыревой антенны . Это обеспечивает связь по небесным волнам ближнего вертикального падения (NVIS) на расстоянии до 300 км (190 миль) в горных регионах. Для NVIS типичная эффективность излучения около 1% приемлема, поскольку пути прохождения сигнала могут быть установлены с излучаемой мощностью 1 Вт или менее, что осуществимо при использовании передатчика мощностью 100 Вт.

При использовании в военных целях антенна может быть построена из одного или двух проводников диаметром 2,5–5 см (1–2 дюйма). Сама петля обычно имеет диаметр 1,8 м (6 футов).

Ограничения мощности и радиочастотная безопасность

Одна практическая проблема с маленькими петлями в качестве передающих антенн заключается в том, что маленькая передающая петля не только будет иметь очень большой ток, проходящий через нее, но также будет иметь очень высокое напряжение на конденсаторе - обычно тысячи вольт - даже при питании всего несколькими Вт мощности передатчика. Чем меньше контур (в длинах волн), тем выше напряжение. Для этого требуется довольно дорогой и физически большой резонансный конденсатор с большим напряжением пробоя , а также минимальные диэлектрические потери (обычно требуется конденсатор с воздушным зазором или даже вакуумный переменный конденсатор ).

Коронный разряд вокруг катушки антенны . Несмотря на свой зловещий внешний вид, высокое напряжение на нагрузочной катушке не представляет такой большой угрозы, как более высокие напряжения, наблюдаемые на настроечных конденсаторах в магнитных контурах.

Увеличение диаметра петли снизит напряжение на промежутке, а также повысит эффективность, однако все другие улучшения эффективности будут иметь тенденцию к увеличению напряжения на промежутке: эффективность можно повысить, сделав петлю из более толстого проводника; проводника другие меры по снижению сопротивления потерь включают сварку или пайку соединений, а не пайку. антенны, Но поскольку уменьшение сопротивления потерь увеличивает добротность следствием повышения эффективности является еще большее напряжение на конденсаторе в зазоре контура. Для данной частоты меньший маленький контур более опасен, чем большой маленький контур, и, как ни странно, сравнительно эффективный небольшой передающий контур более опасен, чем неэффективный.

Проблемы радиочастотного ожога и удара, возникающие при емкостной нагрузке небольших контуров, более серьезны, чем при индуктивной нагрузке коротких штыревых или дипольных антенн : для прямых (или «электрических») антенн согласование с использованием нагрузочной катушки также генерирует высокие напряжения на на конце(ах) антенны и в нагрузочной катушке, однако, в отличие от конденсаторов, высокая разность напряжений равномерно распределяется по длине катушки, и в качестве меры предосторожности ее обычно намеренно делают физически длиннее и тоньше, чем более эффективную короткую форму. Высокое напряжение, как правило, создает проблемы только на верхнем конце катушки, когда оно распространяется по всей длине катушки, тогда как на обкладках конденсатора высокие напряжения (в идеале) максимальны по всей поверхности пластин. Кроме того, высоковольтные наконечники монополей и диполей обычно устанавливаются высоко и вне досягаемости, что ограничивает возможности радиочастотных ожогов. Напротив, небольшие рамочные антенны лучше переносят установку близко к земле, поэтому их высоковольтные части чаще находятся в пределах легкой досягаемости. Таким образом, высокое напряжение от высокого Q представляют большую угрозу в небольших контурах, чем большинство других небольших антенн, и требуют большей осторожности даже при очень низкой входной мощности.

Питающие петли

В дополнение к другим распространенным методам согласования импеданса, таким как гамма-согласование, небольшие приемные и передающие контуры иногда согласовываются по импедансу путем подключения питающей линии к еще меньшему фидерному контуру внутри области, окруженной основным контуром. Несмотря на то, что он по-прежнему должен/может иметь независимое заземление, при этом основной контур остается без другого подключения постоянного тока к передатчику. Питающий контур и основной контур фактически являются первичной и вторичной катушками трансформатора , при этом мощность в ближнем поле индуктивно передается из контура питания в основной контур, который сам подключен к резонирующему конденсатору и излучает большую часть сигнала. власть.

Если и основной, и фидерный контуры одновитковые, то коэффициент преобразования импеданса вложенных контуров почти в точности равен отношению площадей двух контуров по отдельности, или квадрату отношения их диаметров (при условии, что они имеют одинаковую форма). Типичные фидерные петли: ⁠ 1 / 8 ⁠ до ⁠ 1/5 соответственно ⁠ . размера основного контура антенны, что дает коэффициенты преобразования от 64:1 до 25:1 Регулировка близости и угла фидерного контура к основному контуру, а также искажение формы фидера приводят к небольшим или умеренным изменениям коэффициента преобразования и позволяют точно регулировать сопротивление точки питания.Для основных контуров с несколькими витками, чаще используемых для средневолновых частот, фидерный контур может состоять из одного или двух витков в том же кадре, что и витки основного контура, и в этом случае коэффициент преобразования импеданса очень близок к квадрату отношения количество витков в каждой петле.

Антенные без антенн петли

Некоторые так называемые «антенны» очень похожи на настоящие рамочные антенны, но предназначены для соединения с индуктивными антеннами ближнего поля на расстояниях 1–2 метра (3–7 футов), а не для передачи или приема на большие расстояния. электромагнитные волны в радиационном дальнем поле . Из-за этого различия «антенны» ближнего поля не являются радиоантеннами вообще (при правильном функционировании по назначению).

Аналогичным образом, из этой статьи исключены катушки связи, используемые для систем индуктивной зарядки , независимо от того, используются ли они на низких или высоких радиочастотах , поскольку они не являются (или в идеале не должны быть) радиоантеннами .

RFID-катушки и индукционный нагрев

индукционного нагрева Системы , индукционные кухонные плиты, а также RFID- метки и считыватели взаимодействуют за счет ближнего поля магнитной индукции , а не дальнего поля передаваемых волн . Строго говоря, это не радиоантенны.

Хотя они не являются радиоантеннами, эти системы работают на радиочастотах и ​​включают использование небольших магнитных катушек, которые . в торговле называются «антеннами» Однако их более целесообразно рассматривать как аналоги обмоток слабосвязанных трансформаторов . Хотя магнитные катушки в этих индуктивных системах иногда кажутся неотличимыми от небольших рамочных антенн, о которых говорилось выше, такие устройства могут работать только на коротких расстояниях и специально разработаны, чтобы избежать передачи или приема радиоволн . Поскольку индукционного нагрева системы и считыватели RFID используют только переменные магнитные поля ближнего поля , их критерии эффективности отличаются от дальнего поля, радиоантенн обсуждаемых в этой статье.

Внешние ссылки

• Йейтс, Стив (AA5TB). «Малые передающие рамочные антенны» . Магнитные рамочные антенны. AA5TB.com . Форт-Уэрт, Техас . Проверено 14 октября 2022 г. {{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

• «Маленький передающий контур» . Антенные калькуляторы. 66pacific.com . Проверено 14 октября 2022 г. — Онлайн-калькулятор, который решает «Основные уравнения для маленькой петли» с использованием формул из Книги об антеннах ARRL , 15-е изд.
• «Обзор недооцененной КВ-антенны с магнитной рамкой» (PDF) . Магнитные рамочные антенны. www.nonstopsystems.com . Проверено 1 января 2024 г. - Обширная статья Ли Тернера VK5KLT (СК) о КВ антеннах с магнитной рамкой.
• «Интерактивный калькулятор магнитной петли» . Калькулятор магнитной петли. miguelvaca.github.io . Проверено 1 января 2024 г. — Интерактивный калькулятор магнитной петли от Хосе Вака VK3CPU.