Сайт радиолюбителей Республики Коми.
Рамочная средневолновая антенна.
На главную Главная

P>Почти во всех современных приёмниках в ДВ и СВ диапазонах используют магнитные антенны. Достоинства их очевидны — малые габариты, незначительное влияние “рук” и окружающих предметов на качество приема, удобство монтажа внутри корпуса приемника. Однако с наступлением “эпохи всеобщего дефицита” приходится искать и альтернативные варианты.

Неплохой заменой ферритовой магнитной антенне может служить рамочная. Она дешевле, легче, а в некоторых случаях и удобнее конструктивно. Ее электрические параметры могут быть даже лучше, чем у магнитной, а перекрестной модуляции в сильных магнитных полях рамочная антенна вообще не подвержена. По этим причинам и было решено поделиться с радиолюбителями практическим опытом изготовления рамочной антенны, рассчитанной на прием радиостанций в СВ диапазоне.

Как известно, эффективность приемных антенн характеризуют действующей высотой hд, причем ЭДС (e), наводимая в антенне полем радиостанции с напряженностью Е, равна: e = Еhд (1). Действующая же высота любой магнитной антенны определяется формулой -

hд = 2p SN m эфф/А (2), где:

  • S — площадь витка (рамки),
  • W — число витков,
  • X — длина волны принимаемой радиостанции,
  • m эфф — эффективное значение магнитной проницаемости магнитопровода, при отсутствии которого m эфф = 1.

Все величины в приводимых формулах в единицах системы СИ (м, В, Гн и т. д.). Для ферритовых магнитных антенн величина m эфф определяется размерами и магнитной проницаемостью магнитопровода. Ориентировочные ее значения для широко распространенных ферритовых стержней лежат в пределах от 160 (феррит 1000НН) до 130 (феррит 400НН).

Число витков ферритовой антенны определяется требуемой индуктивностью (типовое значение которой для СВ диапазона 230 мкГ) и составляет 45 ... 55. Расчет показывает, что действующая высота магнитной антенны в СВ диапазоне равна 0,004... 0,012 мм растет с увеличением частоты. Это значит, что при напряженности поля 0,5 мВ/м (норма чувствительности СВ приемников) ЭДС, наводимая в антенне, составляет всего 2 ...6 мкВ.

Потребовав, чтобы действующая высота рамочной антенны была не меньше, чем у ферритовой, оценим ее необходимые размеры. При этом число витков можно определить по формуле для расчета индуктивности круглой рамки диаметром d: L = kN2d (3), где k — коэффициент зависящей от плотности намотки, его значение лежит в пределах (1—3) 10-6.

Для “корзиночной” обмотки, описанной ниже, к = 1,6 -106. Расчеты показали, а эксперимент подтвердил, что в СВ диапазоне при диаметре рамки d = 12cм и числе витков N = 37 рамочная антенна не уступает даже хорошей магнитной, намотанной на стержне из феррита 400НН длиной 200 и диаметром 10 мм. Рамки большего диаметра по своим параметрам превосходят ферритовые антенны.

  Рис.1.

Но какой же сигнал реально поступает на вход приемника? Обратимся к эквивалентной схеме контура магнитной антенны с включенным в него источником ЭДС e . Если высокоомный вход приемника присоединен параллельно конденсатору С1 контура, то сигнал, поступающий на вход приемникаUвх = e *Q, где Q — добротность контура, практически целиком определяемая добротностью катушки антенны.

Если же используется традиционная катушка связи или автотрансформаторное подключение низкоомного входа усилителя РЧ, выполненного на биполярном транзисторе, то, во-первых, величина Uвх понижается в n раз, где п равно отношению числа витков катушки связи к числу витков катушки контура, во-вторых, из-за шунтирования контура трансформированным входным сопротивлением уменьшается добротность, причем увеличение числа витков катушки связи увеличивает и шунтирование.

Существует оптимальное отношение п, при котором напряжение сигнала на входе усилителя РЧ максимально, но добротность контура уменьшается вдвое. Отсюда следует, что на входе приемника целесообразно установить каскад с входным сопротивлением, раз в десять превышающим резонансное сопротивление контура, равное, в свою очередь, 2p f = f0LQ, т. е. входное сопротивление каскада должно быть не менее нескольких МОм.

Лучше всего этим условиям удовлетворяет истоковый повторитель, собранный на полевом транзисторе. Его схема показана на рис. 2. Нагрузкой каскада служит резистор R3, элементы R2C2 развязывают цепь питания. Резистор R1 предотвращает самовозбуждение каскада на верхнем краю диапазона из-за паразитных емкостей полевого транзистора затвор-исток и исток-земля, образующих “емкостную трехточку”. Уменьшая сопротивление этого резистора, можно достичь благоприятного эффекта — увеличения добротности входного контура на высокочастотном краю диапазона из-за действия положительной обратной связи через упомянутые емкости.

  Рис.2.

Какова же должна быть добротность? В простых одноконтурных приемниках прямого усиления желательно, чтобы она составляла 120…300, возрастая с повышением частоты. При этом полоса пропускания контура 2Δf = f0/Q будет сохраняться порядка 4…5 кГц во всем диапазоне. В супергетеродине, где селективность определяется трактом ПЧ и имеется большой запас усиления, добротность контура магнитной антенны может быть существенно ниже.

Добротность ферритовой магнитной антенны даже при намотке одножильным проводом может достигать 150…250, плавно уменьшаясь на высокочастотном краю диапазона из-за ухудшения магнитных свойств феррита и возрастания потерь в проводе. Намотка антенны литцендратом позволяет довести добротность до 350…380, но на низкочастотном краю диапазона, где это не очень нужно. Добротность же на высокочастотном краю при этом составит 250…270.

Добротность рамочной антенны зависит от многих факторов и почти не поддается расчету. Для решения вопроса был проведен ряд экспериментов по определению добротности. Первая рамка была намотана на пенопластовом кольце диаметром 14 и шириной 1,5 см. 24 витка провода ПЭЛ 0,23 располагались тесно, внавал. Для настройки контура использовалась секция стандартного КПЕ емкостью 10…365 пФ. Добротность получилась низкой (кривая 1 на рис. 3), да к тому же уменьшалась на высокочастотном краю диапазона. Увеличение диаметра провода до 0,5 мм положения не исправило.

Низкая добротность объясняется увеличением сопротивления провода на высокой частоте из-за вытеснения тока к поверхности металла (скин-эффект). На верхних частотах СВ диапазона толщина скин-слоя в меди составляет около 0,08 мм. Лишь для более тонких проводов их сопротивление можно считать равным сопротивлению на постоянном токе.

Отсюда ясен смысл применения литцендрата — многожильного провода, свитого из нескольких (от 4 до 81) тонких изолированных проводников. При намотке той же рамки литцендратом ЛЭШО 21 x 0,07 добротность контура возросла вдвое (кривая 2 на рис.3), но неблагоприятная частотная зависимость ее сохранилась.

  Рис.3.

Следующий фактор, влияющий на добротность — эффект близости витков друг к другу, вызывающий потери на вихревые токи в соседних витках. Кроме того, при плотном расположении витков создаваемое ими магнитное поле как бы вытесняет ток из обмотки, приводя к увеличению ее сопротивления, особенно на высоких частотах. Явление аналогично скин-эффекту в сплошных проводниках. При плотной намотке возрастает и собственная междувитковая емкость, также увеличивающая потери из-за протекания дополнительного реактивного тока в проводе.

Эксперимент подтвердил большое значение эффекта близости. Та же рамка, намотанная внавал самодельным литцендратом из шести проводников ПЭЛ 0,09, причем проводники даже не были скручены, оказалась вообще неработоспособной — добротность была низка, а собственная емкость велика настолько, что со стандартным КПЕ не перекрывался весь СВ диапазон.

Произошло это, видимо, потому, что отдельные проводники разных витков тесно перемешались друг с другом. Уменьшение эффекта близости достигается в однослойной цилиндрической обмотке, лучше с шагом в 1…2 диаметра провода. Многослойные высокочастотные катушки нельзя наматывать так, как наматывают низкочастотные, например, сетевые трансформаторы.

Хороша намотка типа “универсаль”, еще лучше сотовая. Предпочтительнее провод с толстой изоляцией - ПЭЛШО, ПШД и т. д. Для рамочных антенн цилиндрическая форма обмотки неудобна, предпочтительнее радиальная. Очень удобна “корзиночная” обмотка, автоматически обеспечивающая шаг между витками, равный диаметру провода. В этом случае катушку наматывают на плоском каркасе из диэлектрика с нечетным числом радиальных прорезей, в которые и укладывают провод, проходящий попеременно с одной или с другой стороны каркаса.

  Рис.4.

Был изготовлен каркас с одиннадцатью прорезями из листа органического стекла толщиной 4 мм (рис. 4). Края прорезей следует скруглить острым ножом или надфилем, чтобы не повредить провод при намотке. Центральную часть каркаса можно вырезать и удалить. Обмотка содержит 37 витков провода ЛЭШО 21x0,07, выводы закрепляют в специально просверленных отверстиях каркаса, или припаивают к закрепленным на каркасе лепесткам. Нижний выступ каркаса нужен для крепления всей антенны.

Добротность рамочной магнитной антенны с корзиночной обмоткой значительно возросла и, кроме того, стала увеличиваться с частотой, достигнув значения 280 на частоте 1600 кГц. Это обеспечило полосу пропускания контура антенны не шире 6 кГц во всем СВ диапазоне. Напряжение, наводимое полем центральных радиостанций на выводах контура магнитной антенны, составило от 15 до 300 мВ в условиях Москвы, на девятом этаже панельного дома.

Несколько слов о конструктивном оформлении приемника с рамочной антенной. Безусловно, нежелательно наматывать рамку на самом корпусе приемника, поскольку все детали оказываются в ее поле. Не говоря о вероятных наводках и паразитных связях, при этом трудно получить и высокую добротность из-за обилия “металла” внутри рамки.

Если габариты позволяют, можно разместить рамку на задней стенке корпуса, придав ей овальную или даже прямоугольную форму. Но лучше всего расположить магнитную антенну в “свободном пространстве”, на расстоянии не менее одного ее диаметра от окружающих предметов. “Корзиночная” обмотка на каркасе из оргстекла или цветной пластмассы красива и послужит оригинальным дополнением дизайна приемника.

В. Поляков

На главную Главная
Rambler's Top100 Rambler's Top100 Рейтинг ресурсов УралWeb
Hosted by uCoz