Одна из самых известных поговорок среди радиолюбителей-коротковолновиков гласит: "Самый лучший усилитель мощности это антенна".
Друзья, привет!
Трансивер без антенны это даже не пол-трансивера! Это как раз тот самый случай, когда умножение на ноль дает ноль в итоге. Без антенны трансивер - груда железа, а связи могут проводится только в мечтах! Помня об этом, я много усилий приложил к изготовлению и испытанию нескольких полевых антенн. Свои эксперименты я начал с простейшей Ground Plain с одним и двумя противовесами, потом сделал и настроил Inverted Vee, а потом (об этом я не писал) сконструировал Vertical Polarized 2 Element. Все эти антенны были предназначены для работы в природных условиях. Немудрено, ведь в городе у меня просто фантастический уровень цифрового смога, который делает практически невозможным прием слабых сигналов QRP-корреспондентов.
Однако, природа, это конечно хорошо, но что делать в межсезонье? В слякоть, мороз? Не сидеть же сложа руки, ожидая теплых денечков! Надо делать антенну для работы из дома. А вот тут проблема. Я полностью лишен возможности закрепить что-то на фасаде нашего многоэтажного дома. Договор с управляющей компанией запрещает. Также мне не за что зацепить какой-либо длинный провод. И так далее... Все варианты, которые я находил и которые мне подсказывали в QRP-сообществе разбивались о реальность многоквартирной высотки. В конечном итоге осталось две более или менее реалистичных конструкции: магнитная петля (magnetic loop) и EH-антенна. Относительно последнего варианта до сих пор не утихают жаркие споры, в которых я почувствовал свою полную некомпетентность, а вот магнитная рамка мне показалась наиболее приемлемой. Решил делать именно ее. Об особенностях конструкции и открытиях, которые я совершил и пойдет рассказ далее.
Изготовление рамки
Прежде всего, надо сказать, что тема магнитных рамок давняя и хорошо изученная. Есть много публикаций, обсуждений на форумах, специализированных программ для расчета магнитных антенн. По сути, это открытый колебательный контур высокой добротности, который преобразует подводимую энергию электрических колебаний в переменное магнитное поле при передаче. При приеме - наоборот. От свойств элементов контура, его добротности, габаритных размеров и т.п. зависит и качество преобразования. Контур состоит из индуктивности и емкости. Сначала про индуктивность, то есть собственно рамку.
Для оценки потенциальных свойств будущей антенны можно воспользоваться бесплатными программами. Я использовал для прикидок программу LoopCalc, разработанную радиолюбителем с позывным KI6GD.
Если вкратце привести некие общие соображения, то чем качественнее материал рамки, чем больше диаметр ее проводника и чем больше диаметр самой рамки, тем более эффективной получается антенна. Однако, если идти до конца, то все это приведет к значительным габаритам и высокой стоимости. Надо искать компромисс...
1. Материал рамки. Нужен хороший проводник. Лучше медь. Несколько хуже алюминий. Еще хуже сталь. Но, делают из всего перечисленного и проводят связи!
2. Диаметр проводника. Чем толще, тем лучше. Речь идет о диаметрах более 10 миллиметров. Но, делают и из более тонких проводов и проводят связи!
3. Форма рамки. Наиболее эффективная - ровный круг. Чуть хуже - восьмигранник. Еще хуже - 4-угольник. Но, делают разные и проводят связи!
В общем, к изготовлению рамки можно подойти творчески. И она даже будет работать. Вопрос в эффективности. Особенно эффективности передачи. Как максимально полно излучить ту мощность, которую генерирует передатчик? Вот основные условия.
Во-первых, периметр рамки должен быть сопоставим с длиной волны. Для диапазона 14 МГц, на который я делал рамку, длина волны составляет 5 метров. Неплохо бы найти проводник такой длины и сделать из него кольцо. Но! Диаметр такого кольца будет более 1,5 метров. Не везде такое кольцо можно разместить. У меня не получится, поскольку ширина балкона, на котором я планировал размещать антенну не более 135 см в широком месте и 110 в узком. Значит, если я хочу иметь определенную свободу в ориентации и размещении рамки (а магнитная антенна имеет направленные свойства), мне нужно ориентироваться на наименьший размер. Так я остановился на периметре рамки в 3 метра, что дает диаметр около 1 метра. Для меня приемлемо. При этом, при разумном диаметре проводника ее эффективность уже трудно поднять более 70%.
Во-вторых, материал. Раз эффективность уже пошла вниз, нужен хороший материал. Конечно-же это медь, и медь потолще. Я пробежал по сетевым магазином в поиске медных трубок и к своей радости обнаружил на Озон распродажу остатков медных труб. Правда диаметра, который я планировал (миллиметров 15...20) я не нашел. Зато была в наличии трубка диаметром 10 миллиметров. Ее и взял. И получилось недорого. Но, потенциальная эффективность антенны упала до 45%. То есть из 5 Ватт подводимой мощности излучаться будет только 5 * 0.45 = 2,25. Если учесть остальные потери, то получится не больше 2-х Ватт. Ну что-ж, QRP так QRP! Зато конструкция будет довольно компактной! Я заказал эту медную трубку. Кстати, алюминиевая трубка с такими же параметрами обладала бы эффективностью около 24%. Эффективность алюминиевого обруча диаметром 1 метр и толщиной 15 мм, из которого часто делают магнитные рамки составляет 25%. Это так, для размышления. Повторюсь, точнее поможет оценить программа.
В-третьих, форма рамки. Тут я подумал, что смогу согнуть из трубки окружность даже без какого-либо специнструмента, просто руками. Так оно и вышло. Правда пришлось скорее разгибать трубку, чем сгибать, поскольку пришла она свернутой в несколько раз. Но это уже мелочи.
В общем, согнул окружность. Вот такая получилась.
На алюминиевое кольцо сверху и коробочку снизу пока не обращайте внимания. О них позже. Просто фото согнутой трубки ваш покорный слуга забыл сделать. Все быстрей, быстрей... Сопли, слюни, азарт! О читателях забываю иногда! Приношу свои извинения! Постараюсь больше так не делать.
Видно, что окружность получилась почти правильная. Несколько раз просил супругу посмотреть. Глаз уже замылился пока устранял неровности. Между концами трубки оставил зазор, миллиметров 10...15.
Изготовление емкости антенны
Как правило в качестве емкости контура используют конденсаторы переменной емкости. Поскольку антенна резонансная, то ее придется настраивать этим конденсатором на нужный диапазон. Если антенна будет работать только на прием, то подойдет любой переменный конденсатор, в том числе и от карманных приемников. А вот если планируется работа на передачу, то нужен конденсатор, способный выдерживать высокие напряжения пробоя. Уж таково свойство параллельного колебательного контура - на частоте резонанса напряжение резко возрастает. При подводимой мощности 5 Вт напряжение может достигать 1 киловольт (посмотрите в окне программы)! Тут нужен хороший конденсатор с большим воздушным зазором. Такие конденсаторы довольно дороги. Их цена может достигать нескольких тысяч рублей.
Еще одно требование к конденсатору - высокая добротность. Это совсем необычно. В традиционных схемах обычно считается, что добротность конденсатора всегда гораздо выше добротности катушки, но в магнитной антенне это не так. Добротность одиночного витка из медной трубки очень высока. При этом свойствами конденсатора пренебрегать нельзя. Часто для магнитных антенн используют вакуумные переменные конденсаторы, имеющие высокую добротность и обладающие высоким напряжением пробоя. Они тоже дороги. К тому же, обычно, требуют специальных приводов для управления. В общем, я решил сделать конденсатор своими руками.
При изготовлении собственного высоковольтного конденсатора я учитывал, что антенна будет настроена на один диапазон. Если помните, трансивер, который я сделал однодиапазонный, на 14 МГц. Значит, большой диапазон перестройки не требуется. Достаточно перестройки на несколько пикофарад. А вот чтобы дотянуть до нужного диапазона нужен еще высоковольтный постоянный конденсатор. Исследовав свойства подручных материалов, я выяснил, что стеклотекстолит выдерживает большие напряжения пробоя (десятки киловольт). Решил использовать его. Постоянный конденсатор из двухстороннего FR-4, а подстроечный тоже из него. О конструкции подстроечного конденсатора я уже рассказывал. оставалось только сделать аккуратный корпус, в котором можно было все собрать воедино. Теперь должно быть понятно назначение коробочки внизу первой фотографии. Вот она поближе.
А вот так она выглядит изнутри.
Несколько кусочков стеклотекстолита подключенные параллельно рамке позволили набрать нужную емкость. Последовательно с подстроечным конденсатором впаян "растягивающий" конденсатор, поскольку емкость КПЕ получилась слишком большой.
Петля связи и первые испытания
Для согласования импеданса антенны с сопротивлением антенного входа трансивера используют различные решения. Самое простое и распространенное - петля связи. Согласование требуется обязательно, поскольку сопротивление магнитной рамки на резонансной частоте составляет примерно 260 Ом. Выходное же сопротивление передатчика - 50 Ом. Это означает, что периметр (диаметр) согласующей петли должен быть примерно в пять раз меньше периметра рамки. Именно такую петлю я и сделал из провода для заземления сечением 6 кв.мм.
Оба конца петли я подпаял к гнезду BNC. Рамку антенны и петлю я разместил на штативе от фотоаппарата, после чего приступил к испытаниям. И тут меня ожидали чудеса!
Подключив NanoVNA к петле связи я увидел следующую картину.
Обратите внимание, что даже в точке максимально близкой к центру диаграммы активная составляющая импеданса едва превышала 15 Ом! Это вместо 50-ти. В тоже время реактивная составляющая улетела за 20 Ом. Естественно, что КСВ антенны был чрезмерно велик - 3,95. График КСВ даже не отображается на экране, поскольку максимальное значение шкалы равно 3.
Вначале я было подумал, что между рамкой и петлей недостаточный коэффициент связи. Попробовал увеличить его путем придания петле более специфической формы.
Ситуация слегка улучшилась, но не кардинально. Результат согласования все равно был далеко как от желаемого, так и от теоретического!
Активная составляющая достигла почти 23 Ом, а КСВ в точке резонанса приблизился к 2.5. Стало понятно, что по какой то причине сопротивление антенного контура получилось у меня ниже расчетного в 2...3 раза. О причинах этого явления я задумался не сразу. Сначала все мои мысли крутились вокруг согласования. Если маленькая рамка не обеспечивает нужного согласования, то нужно увеличить ее размер. Толстого медного провода, который бы держал форму, у меня под рукой не оказалось и я использовал алюминиевую полосу шириной 10 мм и длиной 1,5 метра. Из нее получилась петля связи ровно в 2 раза меньшего диаметра, чем антенная рамка.
На петлю сверху надел термоусадку во избежание электрического контакта с антенной. Саму рамку я тоже, на всякий случай, обмотал белой изолентой. С такой петлей связи дела пошли гораздо лучше!
Совсем другое дело! Антенна легко настроилась в резонанс на середину телеграфного участка, а КСВ даже на его краях не превышал 1.4.
На этом можно было бы и остановится, но две вещи не давали мне покоя. Во-первых, почему импеданс антенны оказался ниже чем расчетный, а во-вторых, уж больно широка область резонанса (это значит добротность антенного контура слишком мала, а потери велики). Нет ли какого-либо фактора, снижающего характеристическое сопротивление и добротность контура? Довольно долгое время я ломал голову пытаясь понять причину ухудшения характеристик. Кстати, пока ломал, опробовал антенну на передачу в режиме маяка. Европейские скиммеры увидели, и даже дали сигнал-шум под 10 дБ.
Новое решение для емкости контура
Спустя некоторое время размышлений, и благодаря интеллектуальной поддержке моих друзей из Клуба 72 я решил пересмотреть свои взгляды на конденсаторы из стеклотекстолита, которые я использовал для антенны. Для эксперимента я взял, да и подключил вместо самодельных емкостей обычный КПЕ с воздушным диэлектриком.
Ситуация мгновенно поменялась! Теперь большая алюминиевая рамка наоборот выдавала очень большую активную составляющую и я вернулся вновь к малой петле согласования из медного провода. Ура! Наконец-то я получил характеристики, совпадающие с расчетными!
Обратите внимание, насколько узким стал резонанс. На предыдущей фотографии диапазон шкалы частот был равен 400 кГц, а теперь лишь 100 кГц. Это значит, что полоса частот по уровню КСВ 1,5 составляет теперь не 100 кГц, как ранее, а всего лишь около 10 кГц. Вот это резонанс! Очевидно, что воздушный диэлектрик кардинально меняет добротность контурной емкости. Зеленая диаграмма импеданса проходит немного не по центру, поэтому КСВ не опускается до единицы, но это решается ослаблением связи петли и рамки. Ее нужно просто немного отодвинуть. Это мелочи, но что делать с емкостью? Ведь использовать такой КПЕ на передачу я не смогу. Слишком маленький воздушный зазор. Его просто будет пробивать на резонансе. Нужно делать свой подстроечник с воздушным зазором, да и постоянную емкость тоже нужно делать воздушную.
Новый КПЕ я решил делать по схеме "бабочка". Это полностью избавило его от трущихся контактов.
Видно, что проставка по периметру создает между пластинами зазор около 2-х миллиметров. Диапазон перестройки получился примерно от 2-х до 3-х пикофарад. Такой диапазон позволяет перестраивать резонанс антенны примерно на 100 кГц. Чтобы не удлинять статью, я не буду рассказывать подробно про его конструкцию. Если интересно, напишите в комментариях. Я сделаю отдельный материал и приложу необходимые модели для 3D-принтера.
Постоянный конденсатор я сделал также из двух стеклотекстолитовых пластин (97х60 мм) с проложенной между ними пластиковой рамкой.
На одну из пластин кладется рамка (толщина - 1.6 мм), а сверху рамка накрывается второй пластиной.
Потом весь бутерброд обматывается изолентой для фиксации и относительной герметизации.
Конструкцию я несколько раз переделывал, пока подбирал емкость, подводящую антенный контур к 14 МГц. Я изначально взял пластины несколько большего размера, а потом уменьшал емкость вырезая в фольге прямоугольники.
Все детали антенны я собрал на деревянной рейке 40x10 мм. Получилась вот такая конструкция с емкостью в 43 пФ.
Рейка притянута к треноге при помощи нейлоновых стяжек.
Итоговый резонанс получился все же не таким острым, как с промышленным конденсатором, но все же достаточно хорошим.
Примерно 30 кГц по уровню КСВ 1.5.
Антенну я установил на балконе. Кстати, нужно иметь ввиду, что близлежащие металлические предметы могут уводить резонанс антенны в разные стороны. Здесь подстройка оказалась совсем не лишней.
Кабель, снабженный симметрирующим дросселем (сердечник К175-02 от "Синтез-ПКЖ") я провел до своего стола в комнате и подключил через еще один небольшой согласующий дроссель к трансиверу.
Согласующий дроссель понадобился для компенсации емкостного импеданса 10-метрового кабеля. Семиметровый кабель (0,5 длины волны * коэффициент укорочения = 10 * 0,7) обошелся бы без дросселя, но мне оказалось мало этой длины. А вот универсального согласующего устройства у меня пока нет. Это дело будущих проектов.
А вот так мой передатчик слышали скиммеры в день проведения моего первого QSO - 24 сентября.
Что ж, теперь у меня появилась хотя бы небольшая возможность поработать в эфире и в холодные зимние вечера!
Спасибо, что читаете-смотрите Terrabyte! Подписывайтесь, если вам интересна радиолюбительская тематика, микроконтроллеры, мини-ПК, необычные компьютерные решения и инновационные разработки! Спасибо всем, кто поддерживает меня своими советами, комментариями и лайками!
Группа ВК: https://vk.com/terrabyte
Канал на VK-Video: https://vk.com/video/@terrabyte/all
Интересное и полезное: