Изготовление апериодической магнитной рамочной антенны

Дополнения для статьи Магнитная антенна (часть 3: от макета к рабочему образцу)

В основу этой конструкции легло описание рамки для создания поля с известной стандартной величиной для измерений из книги В. И. Хомич «Ферритовые антенны» (Госэнергоиздат, 1963, глава 3, ст. 8, стр. 45). Конструкция, описанная в книге, изменена мной под другие задачи, а именно — опыты по приёму в условиях сильной помехи. Размеры, принцип работы и параметры сохранены.

Немного теории

Известно, что магнитная рамка в экранированных антеннах играет роль приёмника электромагнитной волны, реагируя в основном на магнитную составляющую поля. Экранирование рамки позволяет уменьшить асимметрию диаграммы направленности неэкранированной рамки, так как в реальных условиях её плечи имеют разную ёмкость по отношению к земле, окружающим предметам, бетонным перемычкам, арматуре, водо- и газопроводам. Это приводит к тому, что наведённые радиоволной токи, текущие в противоположных сторонах рамки, становятся несимметричными.

Принцип работы

Падающая электромагнитная волна наводит ЭДС на наружной поверхности витка экрана рамки. В результате этого на поперечном разрезе экрана возникает разность потенциалов. Под действием этой разности потенциалов на внутренней поверхности экрана возникает электрический ток, создающий напряжение на витке рамки. Разность потенциалов создаёт напряжение между началом и концом витка рамки, которое и является принятым сигналом.

Всё вышесказанное верно для всех экранированных магнитных рамочных антенн. В свою очередь, они имеют две разновидности:

• резонансные рамки (требующие настройки переменной ёмкостью по частоте);
• нерезонансные (апериодические) широкополосные, не требующие настройки по частоте.

Описываемая в этой статье рамка относится к разряду апериодических антенн и представляет собой антенну бегущей волны, но очень маленькую: тот самый виток, на котором возникает напряжение, и есть АБВ (антенна бегущей волны) в миниатюре. Нагрузкой данной АБВ служит сопротивление, что при правильном исполнении исключает появление стоячей волны и организует бегущую.

Важно!

Механически максимально симметрично выполнить разрез экрана в средней части полотна антенны относительно общей точки экранов (середина разреза — нулевая точка потенциалов). При установке нагрузки обратить внимание на размещение резистора в конце линии конструктивно так, чтобы воображаемая нулевая точка между жилой и экраном находилась посередине сопротивления. Это позволит соблюсти симметричность, избежать переотражений в полотне, а значит, повысит помехоустойчивость системы и обеспечит максимально возможное снятие напряжения с антенны для его последующего усиления.

Изготовление

1. Детский пластиковый обруч диаметром 55–60 см разъединяю. Развожу концы обруча, используя внутреннюю вставку, на 37,5 мм по внутренней стороне обруча. Постепенно довожу диаметр обруча до 55 см, подрезая лишнее и каждый раз выполняя проверку. Добиваюсь того, чтобы при общем диаметре 55 см (по внутренней разъединённой части со вставкой) размер составлял 37,5 мм.

Согласен, описание получилось несколько туманным. Однако всё становится ясно в сочетании с фотографиями в галерее ниже. В результате общий диаметр по центрам трубок получается 55 см.

разомкнутые обручи, инструмент

Изготовление и монтаж разъёмов

Приготавливаю кусок 75-омного кабеля длиной 1 м 87 см с медной оплёткой.

1. На расстоянии 2,5 см с каждого конца снимаю защитную изоляцию, аккуратно расплетаю все жилки по одной и развожу их в стороны.
2. На участке 1,5 см очищаю внутреннюю жилу, оставляя 3–5 мм очищенного участка, лишнее откусываю.
3. Беру гнездо BNC‑разъёма. Всего на рамку требуется два разъёма — по одному на конец кабеля.
4. Для крепления разъёмов изготавливаю проволочные элементы («загогулины»):
   -беру обрезки провода с жилой 0,4 мм, длиной 15 см, в изоляции;
   -снимаю изоляцию и делаю вокруг разъёма один виток;
   -готовлю четыре таких заготовки на каждый разъём (всего восемь загогулин);
   -спаиваю петельки загогулин между собой.
5. Надеваю загогулины на разъём, а разъём для удобства удержания вставляю в штекер.
6. Располагаю загогулины, как показано на фото, и зажимаю гайкой.
7. Образовавшиеся «усы» пинцетом располагаю радиально — получается «солнышко» из проволоки. Фотографии — в галерее ниже.
8. Облуживаю центральную жилу кабеля и припаиваю разъём. Все соединения паяю после предварительного облуживания. В качестве флюса использую нейтральный состав — канифоль на спирту.
9. Изолирую место пайки:
   -беру хлопчатобумажную нить и наматываю первый слой поверх места пайки;
   -пропитываю клеем БФ;
   -после небольшого подсыхания наматываю ещё один слой, снова пропитываю;
   -повторяю процесс до достижения нужной формы и заполнения;
   -оставляю сохнуть на ночь.

Такая изоляция обладает следующими преимуществами:

• не вызывает ломкости проводов;
• изгибается аналогично штатной защите кабеля;
• влаго- и воздухонепроницаема;
• механически устойчива;
• не проводит ток;
• термоустойчива (выдерживает температуру жала паяльника);
• становится монолитной с любой основой.

10. Повторяю все операции по установке разъёма для второго конца кабеля.

11. В процессе работы провожу контроль качества контактов и прозвонку.

12. Дорабатываю соединение:
-откусываю лишние проводки «солнышка» от разъёма, ориентируясь на начало защиты оплётки кабеля (см. фото);
-распушённую оплётку укладываю сверху;
-несколькими витками ниток укрепляю соединение возле конца изоляции и пропитываю клеем;
-в нескольких местах пропаиваю проводки оплётки и «солнышка» небольшим количеством припоя для надёжности;
-применяю ниточно‑клеевую технологию для изоляции (см. фото).

13. Концы оплётки экрана кабеля не откусываю, а загибаю на нитки и обматываю, пропитывая клеем.

14. Если внутренняя оплётка кабеля окислилась (как на фото), обрабатываю её нашатырным спиртом, затем облуживаю жилки перед пайкой и продолжаю по описанной схеме.

15. При намотке контролирую диаметр соединения, чтобы после завершения работ хотя бы один разъём свободно проходил в обруч.

* Последнюю отделочную намотку разумнее выполнить после протягивания кабеля в обруч.

Отмерил и распушил, обрезал, окисленное затем зачистил с нашатырным спиртом латунной щеточкой из хозмага.

Контроль и разметка середины кабеля

1. В очередной раз контролирую полученный результат с помощью прозвонки.
2. Бегло определяю середину кабеля и приклеиваю туда кусочек малярного скотча.
3. Грубо измеряю общую длину кабеля с разъёмами. У меня получилось 1 м 89,5 см.
4. Отнимаю 0,5 см и делю оставшуюся длину на два:

189 см / 2=94,5 см.

1. От каждого конца кабеля отмеряю по 94,5 см и ставлю метки.
2. Между этими метками находится физическая и математическая середина изготовленной конструкции — с максимальным учётом погрешностей грубой измерительной линейки, использованной при изготовлении и измерении.
3. От точной середины штангенциркулем отмеряю по 5 мм в обе стороны и затушёвываю этот участок на скотче.
4. На полученном участке длиной 1 см (затушёванном) удаляю верхнюю изоляцию и оплётку (экран) под ней. Внутреннюю изоляцию не трогаю.
5. Проверяю с помощью тестера (не полагаясь только на визуальный осмотр — ранее были прецеденты), есть ли разрыв между экранами. Убеждаюсь, что разрыв есть.
6. Восстанавливаю изоляцию на этом участке с помощью клея и ниток.

Выполняю этот шаг обязательно, поскольку считаю, что изменение влажности воздуха, осевшая пыль и т.д. может влиять на приём сигнала. Фотографии процесса — в галерее ниже.

Клей скотч

Монтаж и изоляция соединений

1. От начала каждого разъёма отмеряю 76 мм и зачищаю участок длиной 2 см до оплётки.
2. Продеваю кабель в обруч и складываю зачищенные части вместе.
3. Обматываю их проволокой без изоляции.
4. Соединяю оплётку и проволоку двумя каплями олова.
5. Тщательно изолирую соединение:
   обматываю место соединения хлопчатобумажной нитью;
   пропитываю клеем;
   даю немного подсохнуть;
   при необходимости повторяю намотку и пропитку до достижения нужной толщины изоляции.
6. Вставляю вставку от обруча.
7. Дополнительно укрепляю всё изолентой — без ограничений по количеству слоёв, обеспечивая надёжную фиксацию.

*В галерее ниже дополнительно (для справки) показано внешнее конструкционное различие узлов действующих макетов, на которых отрабатывались изменения в конструкции.

Соединяю, обматываю и пару капель припоя затем изолирую нитками с пропиткой клеем.

Изготовление нагрузки 75 Ом

1. Беру металлический штекер BNC и разбираю его.
2. Откусываю земляной конец вровень с креплением (см. фото).
3. Облуживаю контактные поверхности.
4. Устанавливаю сопротивление 75 Ом.
5. Готовлю закручивающуюся гильзу:
   сминаю шарик из фольги и помещаю его внутрь гильзы;
   ставлю гильзу на ровную поверхность;
   изнутри уплотняю фольгу торцом карандаша — она сминается и заполняет выступы, отштампованные в краях гильзы.
6. Наношу пару капель клея внутрь гильзы для фиксации фольгированного уплотнителя.

Разобрал разъем

Сборка и установка нагрузки

1. Собираю конструкцию и устанавливаю её на место.
2. После присоединения сопротивление располагается внутри антенны и хорошо экранировано от внешних воздействий и полей.

Возможности масштабирования и применения

Из нескольких описанных изделий можно собирать различные системы — по принципу, аналогичному «Hermes loop»: соединяя их кабелями для проведения опытов. Такие системы удобно использовать для настроек в любительской лаборатории, опытов со связью и т. д.

Рекомендации по модификации

Само сопротивление можно установить более мощное — если планируется проведение опытов с передачей. Экранирование сопротивления в этом случае не является обязательным.

Основная задача антенны бегущей волны (АБВ) — эффективно преобразовать подводимую электрическую энергию в электромагнитное излучение с формированием бегущей волны, обеспечивающей направленное излучение. Математика всех антенн подтверждает: чем меньше мощности теряется в виде тепла и других паразитных эффектов в процессе преобразования электрической энергии в электромагнитное излучение, тем выше КПД.

Всем спасибо за внимание! Крепкого здоровья! Удачи!