Автор: Стив Адлер, vk5sfa@wia.org.au
Примечание переводчика: Данная статья является переводом замечательной статьи о рамочной магнитной антенне, которыми я достаточно давно интересуюсь. Я постарался сохранить оригинальный авторский стиль где это было возможно. Некоторые фразы и идиомы, коенчно же, были адаптированы. Фотографии были взяты из авторской статьи без изменений. Стив Адлер, автор оригинальной статьи, любезно позволил сделать этот перевод и поместить его на моем блоге. Если вам интересно, вы всегда можете прочесть оригинал статьи. Я буду рад любым комментериям относительно правильности перевода - некоторые вещи иногда достаточно сложно перевести так, чтобы оставить и смысл, и ту интонацию, которую в свой текст вкладывал автор.
Вы всегда хотели работать на 160-метровом любительском диапазоне, проводя местные и DX-связи, но у вас нет места для установки диполя или вертикальной антенны с соответствующей системой противовесов?
Вы страдаете от местного QRM до такой степени, что наиболее полезные сигналы скрываюдся под шумами?
Значит, антенна с передающей магнитной петлей (Transmitting Magnetic Loop Antenna, TMLA) для 160-метрового диапазона может быть именно тем решением, которое вы ищете!
Есть несколько замечаний, которые необходимо учесть, прежде чем строить эту антенну.
1. Эта антенна имеет диаметр более трех метров и весит около 30 кг.
2. Антенна должна быть установлена на подходящей мачте и должна быть надежно закреплена.
3. TMLA производит очень высокое напряжение и сильные магнитные поля. При выборе безопасной монтажной позиции необходимо соблюдать особую осторожность.
4. Антенна должна быть способной вращаться, поскольку на горизонтальной диаграмме направленности (HRP) под углом 30 градусов по высоте наблюдаются явные нули. (VRP)
5. Антенна будет стоить свыше 1000 австралийских долларов (700 USD), если вам необходимо приобретать все необходимые компоненты и материалы.
6. Проводимость грунта в ближнем поле антенны повлияет на ее производительность. (Однако существуют методы, которые можно использовать для минимизации потерь)
7. Все соединения должны быть паяными.
Теперь, прежде чем я начну свое подробное описание того, как построить эту антенну, вы должны скачать и прочитать отличную статью Ли Тёрнера (VK5KLT) об Антеннах с магнитной петлей. Прочитайте ее несколько раз!
http://www.ahars.com.au/articles.html
Эта статья дала мне такое вдохновение, что я захотел и смог построить такую антенну.
В рамках работы над дизайном я хотел получить следующее:
Разработать очень компактную антенну, которая излучает разумное количество RF под углами от 20 до 45 градусов для работы в режиме DX. Наличие зенитного излучения для местных связей должна быть приятным дополнением.
Придумать физический дизайн, который можно смоделировать в NEC, чтобы увидеть, как антенна будет себя вести. Используя модель, построить антенну, а затем подтвердить предсказанные результаты с помощью измерений напряженности поля в дальнем поле.
Опубликовать проект, позволяющий другим делать антенну с воспроизводимыми результатами, в основном из предметов, купленных в хозяйственном магазине, с использованием основных ручных инструментов.
Небольшая антенна с магнитной петлей определяется как имеющая приблизительно 1/10 длины окружности волны. Это соответствует примерно 16 метрам для 160-метрового диапазона. При такой длине окружности диаметр петли будет примерно 5,2 метра.
August R. Hansen (KB0YH) предоставил мне вот такое исправление: "Джон Краус сказал в своей книге «Антенны», что периметр контура может быть до 1/3 длины волны, чтобы поддерживать требуемый постоянный ток в контуре в пределах 1% , который определяет антенну магнитного контура. Я использую 30% максимальной длины проводника. Значение одной десятой лямбды важно для направленных приемных рамок, но она слишком мала для передающих рамок, которые, как правило, работают в диапазоне 10-30% лямбда, чтобы обеспечить адекватную полосу пропускания на рабочей частоте".
Я решил, что этот размер слишком велик, чтобы можно было создать неметаллическую опорную конструкцию. Поиски дизайна в интернете привели меня к рассмотрению двухвитковой магнитной петли, примерно вдвое меньшей диаметра.
Наконец, я остановился на изготовлении двух петель диаметром около трех метров, что имеет определенные преимущества!
Такая конструкция гораздо более приемлема по размеру.
Индуктивность петли увеличивается в четыре раза, поэтому требуется меньшая емкость, чтобы привести ее в резонанс. (переменный конденсатор обойдется дешевле)
Эффективность немного возрастает, потому что теперь длина окружности составляет около 23 метров.
Хотя сопротивление излучения антенны существенно снижается благодаря выбору меньшего диаметра размера петли (3 метра), дополнительный виток увеличивает это сопротивление в четыре раза, что компенсирует примерно половину того, что было потеряно из-за уменьшения площади петли.
Сопротивление излучения данной антенны зависит от апертуры петли. Сопротивление, снижающее эффективность, пропорционально окружности петли, а сопротивление излучения пропорционально квадрату площади петли или четвертой степени окружности.
В реальности дизайн TMLA сводится к тому, чтобы найти такую длину окружности, при которой сопротивление излучение будет максимальным, а сопротивление потерь - минимальным. При этом величина увеличения сопротивления излучения должна быть больше величины увеличения сопротивления потерь.
В этой конструкции эта цель вполне достигается на 160 метровом диапазоне и хорошо достигается на 80 метрах, где эффективность антенны становится впечатляюще высокой из-за быстрого роста сопротивления излучения TMLA, значительно опережающего и увеличивающего сопротивление потерь!
На 160-метровом диапазоне нужно постараться сделать так, чтобы добротность антенны была не очень высокой, чтобы результирующая ширина полосы по приемлемому КСВ не была слишком узкой, чтобы иметь возможность работать и телеграфом, и телефоном. В противном случае вам придется повозиться с достаточно тонкой подстройкой частоты резонанса антенны.
И что теперь? Жизнь в Аделаиде (Южная Австралия) имеет свои преимущества. Четыре различных сезона, возможно, одни из лучших вин в мире и доступ к трем наставникам, которые помогли мне с бесценным вкладом на этапе проектирования антенны.
Ли Тёрнер VK5KLT, Пол Лоусон VK5SL, и Тревор Харвуд VK5YFR живут в Аделаиде или в ее окрестностях.
Ли, ты уже знаешь об этом, потому что к настоящему времени ты уже несколько раз прочел его превосходную статью! Пол, Тревор и я все еще работаем в индустрии вещания и знаем друг друга много лет.
Помимо прочего, Пол является экспертом по моделированию СЧ и ВЧ антенн. Тревор имеет консалтинговый бизнес, который специализируется на предоставлении систем передачи высокой мощности для вещательной индустрии.
Лучшее, что я когда-либо делал на этапе проектирования, - это пригласил этих трех экспертов на обед!
После обсуждения было решено, что двухвитковая конструкция тоже будет работать, но вопрос был в том, насколько хорошо. Пол провел часы в придумывании модели NEC, изображенные ниже.
Посмотрите, насколько хорошо антенна излучает под углом 30 градусов над горизонтом относительно изотропного излучателя. Разница лишь 3 дБ! Такой же результат может быть получен с помощью полуволнового диполя размещенного на высоте по крайней мере в четверть волны!
Токи при подаче 400 ватт. В некоторых местах они достигают 87 ампер. Обязательно пропаивайте все соединения!!!!!!
Note the Broadside Null under 30 degrees in elevation
Примечения от Поля, VK5SL
Выходные данные NEC, включенные в эту итерацию, включают: страницу ввода/вывода для расчета 4NEC2, графики импеданса фидера, схематическое изображение диаграммы направленности на расстоянии 1 километра, ток в антенне при входной мощности 100 Вт, вертикальное усиление в дБ и, наконец, уровень излучаемой вертикальной составляющей на расстоянии 1 километра также для подводимой мощности в 100 ватт.
NEC - 4.2 Radiated patterns for the SFA loop at a center height of 3 meters @ 1 km Ground Conductivity 30 mS - Dielectric Constant 13
Я предложил использовать волновод Heliax™ в качестве материала для основной петли. Волновод Heliax™ похож на коаксиальный кабель Heliax™. Он имеет гофрированный внешний проводник сделанный из цельной меди, который защищен полиэтиленовой оболочкой и, тем не менее, является относительно гибким; в отличие от коаксиального кабеля в нем нет ничего, кроме воздуха. Это делает его очень легким, в то же время обеспечивая необходимую площадь поперечного сечения, необходимую для работы передающей антенны с магнитной петлей. Мы приобрели б.у. волновод с частотой 7 ГГц, который весил около 700 грамм на метр. Очень практично!
Ниже приведена фотография волновода, уже оснащенного монтажным устройством.
Поперечное сечение волновода Heliax™
Антенну обязательно нужно привести в резонанс, чтобы она могла работать. Это делается путем подключения конденсатора параллельно с индуктивностью контура. Я использовал переменный вакуумный конденсатор Jennings™ емкостью от 25 до 500 пф, рассчитанный на 15 кВ. Более чем достаточный запас по напряжению, чтобы выдержать 400 Вт входной мощности. (Для однооборотной петли потребуется конденсатор 750–1000 пикофарад, который стоит более чем в два раза дороже)
Как упоминалось ранее в этой статье, TMLA очень опасны для живых существ, которые находятся в непосредственной близости от антенны во время передачи.
Настраиваемый конденсатор должен регулироваться с помощью пульта дистанционного управления. Я добился этого, используя очень дешевый двигатель постоянного тока, имеющий редуктор 10:1, и ШИМ-контроллер двигателя постоянного тока.
Оба предмета были куплены у на EBAY по очень скромной цене.
Многие люди используют шаговые двигатели и тому подобное, но я обнаружил, что мой вариант имеет скорость настройки один пикофарад в секунду. Идеальная скорость для настройки антенны с высокой добротностью.
Обратите внимание на использование приводного соединителя с керамическим изолятором последовательно с приводным валом для изоляции ВЧ токов от двигателя. Этот переходник поставляется с вакуумным конденсатором Second Hand Jennings ™.
Контроллер двигателя с потенциометром скорости и переключателем прямого и обратного хода.
Посмотрите видео системы настройки в действии. На мультиметре отображаются пикофарады.
Как я упоминал ранее в этой статье, петли должны поддерживаться неметаллическим каркасом. В идеале, основание должно быть прочным, достаточно легким и легко приобретаемым. В конечном итоге я использовал трубы и фитинги из ПВХ высокого давления диаметром 50 мм. В Австралии крестовины, тройники и фитинги торцевых крышек были приобретены у http://www.perthirrigation.com. 50-мм водопроводная труба из ПВХ была приобретена в местном хозяйственном магазине.
Каждая секция кронштейна для труб из ПВХ имеет длину 1,5 метра. Расстояние между деталями Т составляет 600 мм от центра к центру
Обратите внимание на деревянную рейку внутри нижней вертикальной трубы из ПВХ. Это потребовалось для придания жесткости конструкции и очень хорошо работало при этом, не добавляя слишком много веса. Размеры бруса 40 мм х 40 мм х 2,2 метра.
Проверка установки волновода без установленных заглушек. Примерная длина - 23 метра.
Торцевые заглушки с 38-миллиметровым отверстием, вырезанным в середине, использовались для поддержки и центрирования волновода.
Испытание вертикальной части
Узел настройки переменного вакуумного конденсатора должен был быть установлен на каркасе и подключен к волноводу. Это было достигнуто с помощью зажимов и плоской медной полосы шириной 50 мм. Как видно, я использовал медные гайки и болты для соединения медной полосы с волноводом. Это была только временная мера на этапе монтажа. После завершения конструкции все соединения были пропаяны. Помните, что сопротивление - это естественный враг TMLA !!!! (См. Отличную статью Ли). Не поддавайтесь искушению заменить толстый медный провод или плетеный медный ремень. ВЧ ток, циркулирующий вокруг петли, проводится за счет скин-эффекта. Площадь поверхности и низкое сопротивление являются ключевыми в правильной работе этой антенны.
Небольшое "оригами".
Паяное соединение между плоским медным ремешком и волноводом Helaix ™
Гидроизоляция с использованием большого количества слоев ПВХ ленты, стойкой к ультрафиолету.
Следующим шагом было создание экранированной первичной петли Фарадея для возбуждения вторичных петель. Я выбрал коаксиальный кабель LDF450 Heliax ™, потому что он имеет сплошной медный внешний проводник, который обладает лучшими характеристиками скин-эффекта, чем коаксиальный кабель с оплеточным внешним проводником, такой как RG213. Все, что я когда-либо читал о возбуждении первичного контура TMLA, говорит о том, что первичный контур должен быть примерно 1/5 диаметра вторичного контура для максимальной передачи мощности и хорошего сопротивления, соответствующего 50-омной несимметричной линии передачи. К сожалению, этого не произошло! Я рассчитал диаметр первичной петли равным 600 мм в диаметре. Ниже приведены некоторые фотографии снятые в процессе постройки антенны.
Защита от атмосферных воздействий была достигнута с помоью резиновой самозатвердевающей ленты со слоем УФ-стабилизированной ПВХ-ленты для ее защиты.
Временная тестовая установка. Обратите внимание на первичную петлю возбуждения диаметром 600 мм. Первоначальные результаты были неутешительными: обратные потери составили 6 дБ. (КСВ 3:1) Я посоветовался с Ли и он предложил мне построить первичную петлю большего диаметра. Я сделал петлю диаметром 900 миллиметров и результат сразу же дал о себе знать: потери составили приблизительно 22 дБ. (КСВ 1,16: 1)
После проверки величины потерь и ширины полосы на 160-метровом диапазоне я решил посмотреть, на какую самую высокую частоту можно настроить TMLA. К моему удивлению, антенна довольно хорошо строилась на 80-метровом диапазоне и даже на 75-метровом DX-окне. Какой бонус! Но будет ли он эффективно излучать сигналы? Возвратные потери составляли приблизительно 14,7 дБ (VSWR 1,45: 1). Идеально для использования. Итак, теперь у меня есть двухдиапазонная антенна.
Полоса пропускания на 160 метров по уровню КСВ 2:1 составляет около 4 кГц. Достаточно широкий, чтобы втиснуть сигнал SSB (нижняя боковая полоса), если вы поместите подавленную несущую на верхнюю сторону. Как и ожидалось, ширина полосы на 80 м составляет 8 кГц по уровню КСВ 2:1.
Фактическая скорость настройки TMLA.
Обратите внимание на пик шума приемника и спектр на дисплее водопада, когда резонансная частота перемещается вверх по диапазону 160 метров.
Теперь самое интересное. Очень неплохо вначале заняться моделированием вашей будущей антенны. Программы моделирования антенн дают вам очень хорошее представление о том, чего ожидать. Лично я немного староват и мне нравится измерять производительность в полевых условиях с помощью калиброванных измерительных приборов. Собранные эмпирические данные могут затем использоваться для подтверждения и точной настройки модели. Измерение горизонтальной диаграммы направленности (HRP) большинства антенн относительно простое занятие. Измерение вертикальной диаграммы направленности (VRP) может быть немного сложнее. (Особенно на КВ антеннах). Я выдвинул предложение использовать большое дерево гуавы для «полёта» измерителя напряженности поля, чтобы иметь возможность измерять VRP от 0 до 45 градусов по высоте. Идея заключалась в том, чтобы использовать горизонтальную ветвь высотой около 25 метров, чтобы позволить формирование равностороннего треугольника с тестируемой антенной на земле. Все хорошо в теории, но в ближнем поле создавалась только магнитная составляющая волны, и измеритель напряженности поля показывал неправильные значения. HRP был измерен в дальнем поле и оказался в пределах 1 дБ от того, что предсказывала модель. Нули были в нужных местах. Было очень приятно осознать, что наша модель оказалась правильной.
Антенна разобрана и готова к транспортировке на полигон.
Антенна в тестовом положении. Обратите внимание на новую петлю связи диаметром 900 мм.
Крюк для подьема измерителя.
Пол готовит измеритель напряженности поля для тестирования VRP.
Обратите внимание на рулетку, висящую снизу, чтобы мы могли рассчитать градусы по высоте.
Около 15 градусов по высоте. Обратите внимание на тестируемый TMLA вдали.
При измерении на 45 градусах нам пришлось использовать бинокль, чтобы увидеть измеритель напряженности поля и записать результаты!
Ранее в статье было высказано предположение о неоднородности проводимости грунта. Пол настоял, чтобы мы измерили еще и это, и попросил меня создать систему для развертывания надземной радиальной системы. Он также попросил меня сделать два четвертьволновых радиала в плоскости антенны, чтобы мы могли измерить влияние земли под ней. Испытания состояли из измерений напряженности поля в дальнем поле TMLA без каких-либо радиалов, затем с использованием восьми нерезонансных радиалов и, наконец, измерений с двумя четвертьволновыми радиалами, лежащими на земле в плоскости с антенной. Лучшие результаты были измерены без каких-либо радиальных присутствий. Это согласуется с проводимостью почвы в моей области. Если в вашей местности есть роблемы с поглощением грунта, то они легко могут быть преодолены с помощью радиальной системы заземления.
8 приподнятых радиалов.
Изоляция радиалов от земли с помощью резинового жгута. Каждый радиал был длиной 10 метров. Восемь поднятых радиалов были предназначены для отделения TMLA от земли.
Обратите внимание на 20-литровую пластиковую канистру, покрывающую сборочный конденсатор, чтобы защитить его от атмосферных воздействий.
Также обратите внимание на дополнительную трубу из ПВХ в верхней части антенны, которая позволяет двум веревкам удерживать конструкцию от падения. Эта модификация теперь позволяет поворачивать антенну на 180°. Модификация потребовала замены верхнего тройника на крестовину. Второй кусок деревянного бруса был вставлен в горизонтальную часть, чтобы добавить всей конструкции дополнительную жесткость.
Посмотрите видео, показывающее, насколько хорошо работает эта новая система:
Большие кабельные стяжки использовались для предотвращения движения волновода.
Токовый дроссель необходим для остановки ВЧ токов, затекающих по внешней линии электропередачи и для симметрирования контура связи. Вы также должны использовать ферритовые кольца вокруг всех других проводников (кабель управления серводвигателем и кабель управления повороткой), чтобы минимизировать их влияние на антенну. Я делал это каждые четыре-пять метров или около того. В качестве меры предосторожности я также вставил еще один токовый дроссель в линию передачи примерно в 10 метрах от антенны.
Теперь нужно понять, насколько хорошо работает эта антенна. Самое поразительное, что вы впервые заметите в TMLA, это насколько эта антенна тихая на прием. Я живу на окраине пригорода, окруженного плазменными телевизорами, массивами солнечных батарей с питанием от сети, модемами ADSL, множеством импульсных источников питания и всевозможными ВЧ помехами на любительских КВ диапазонах иногда могут быть ужасными! Ниже приведена фотография моего S-метра на 160 м в особенно шумный день при использовании резонансного Inverted V на 160 метров.
Та же частота на TMLA. Невероятно!
Это видео на YouTube воспроизводит нашу местную станцию WIA, принимаемую попеременно на Inverted V (Ant 3), затем на TMLA (Ant 4), обратно на Inverted V (Ant 3) и, наконец, на TMLA (Ant 4).
TMLA принимала местные сигналы на 10 дБ лучше, чем Inverted V. Это, безусловно, вызвало большой интерес.
С февраля 2016 года: 31 территория DXCC: Тонга, США, Германия, Италия, Япония, Огасавара, Аляска, Литва, Финляндия, Европейская Россия, Азиатская Россия, Украина, Греция, Восточная Кирибати, Канада, Остров Херд, Палау, Остров Норфолк, Новый Зеландия, Австралия, Филиппины, Соломоновы Острова, Ниуэ, Мелиш Риф, остров Чатем, остров Дюси, Франция, Гуам, Самоа, Шри-Ланка (SFA Loop to SFA Loop), Вануату и Аргентина. (SWL) В основном на CW и в основном на Grey Line. 4 Континента. (Пока нет Африки) Более 300 QSO. Все на 100 Вт CW или FT8. Это говорит мне о том, что антенна работает и принимает сигналы с низких углов места.
80 метров - это отдельная история. Я работал SSB с США и Соломоновыми островами, а также почти все штаты Австралии. (Станция в США не могла поверить, что я использую TMLA диаметром 3 метра, так как меня время от времени было слышно на 59+).
Мой первый подтвержденный DX на TMLA.
Вот как я слышал HG8DX на TMLA! (28-2-2016 @ 21:00)
Заключение
Порекомендовал бы я строить эту антенну? Абсолютно. Моя TMLA - это узкополосная антенна с широкой полосой пропускания (от 160 до 75 метров). На всякий случай, предупреждение: получите одобрение супруга/партнера, прежде чем строить эту антенну. Помните, красота в глазах смотрящего!
И наконец, несколько мудрых слов от Ли VK5KLT:
Таким образом, мы можем сказать, что TMLA по сравнению с обычными 160-метровыми дипольными/монопольными антеннами намного чувствительнее в ближнем поле. Большая часть подводимой мощности фактически попадает в требуемое распространяющееся дальнее поле до того, как непроводящий грунт поглощает ее! И эта излучаемая мощность, успешно запускаемая в эфир, распространяется под хорошим низким углом, что очень хорошо для работы с DX.
Это уникальная ситуация, учитывая, что близкое магнитное поле индукции не слишком ослаблено слишком малой высотой мачты.
Общая энергия не зависит от высоты мачты и изменении добротности антенной системы и, следовательно, ширине полосы пропускания по приемлемому КСВ объясняется изменением общего сопротивления точки подключения фидера (имеющего 3 составляющих: сопротивление излучения (Rrad), сопротивление потерь (Rloss) и сопротивление потерь в грунте(Rgnd)). Основной вклад здесь вносит крутое изменение сопротивления потери на землю (Rgnd) из-за очень большой чувствительности ближнего поля. Компонент Rgnd уменьшается довольно быстро с увеличением высоты в то время как сопротивление излучения Rrad изменяется довольно слабо. Собственное сопротивление потерь Rloss антенны остается практически постоянным с изменениями высоты. Для любительских антенных систем на 160 метров действительные показатели MLA в эфире гораздо важнее, чем попытка определить эффективность излучения как таковую. Даже скромные несколько ватт, передаваемых по желаемой траектории распространения волны, гораздо эффективнее, чем сотни ватт, излучаемых под неправильным углом!
Для любительского использования в ограниченных участках пригородных дворов эффективность использования антенн не так важна до тех пор, пока можно наслаждаться множеством QSO и получать массу удовольствия, бросая вызов общепринятому мнению!
Тем не менее вопрос теоретической эффективности компактных передающих рамочных антенн по сравнению с другими ESA структурами вызывает интерес и имеет практическое значение, которое неразрывно связано с вредным взаимодействием с землей. Неэффективные антенны не могут быть допущены в приложениях радиовещания большой мощности, где затраты энергии становятся проблемой, и, следовательно, не существует места для неэффективных антенн.
Максима от VK5KLT: при условии, что низкочастотная или низкочастотная антенна с эффективностью всего лишь в несколько процентов эффективнее излучает несколько ватт по DX-траектории при правильном направлении и высоте, она будет работать так же хорошо, как эффективная или намного лучше, чем эффективная полноразмерная дипольная антенна рассеивающая сотни ватт в неправильном направлении! Это ключевое и часто имеющее очень большое значение при оценке часто недооцененных MLA.
Нет сомнений в том, что для радиолюбителя с ограниченным пространством для обычной 160-метровой антенны маленькая MLA может быть очень эффективной системой, работающей лучше, чем можно ожидать при первом взгляде на нее, даже несмотря на то, что ее эффективность излучения будет всего лишь несколько процентов при размещении реальных условиях, когда антенна неизбежно связана с землей и взаимодействует с ней, хотя и в меньшей степени, чем используемые диполи лиапазонов MW и LW. Несмотря на этот недостаток, MLA будет по-прежнему превосходить обычные низкочастотные антенны на DX трассах из-за низкого угла излучения.
Ли, VK5KLT
Надеюсь, вам понравилось читать об этом проекте TMLA на 160 метров. Надеюсь, эта статья вдохновит вас на постройку своей антенны на этот диапазон. До встречи на Top Band!
73 and Good DX Steve VK5SFA
Примечание переводчика: Данная статья является переводом замечательной статьи о рамочной магнитной антенне, которыми я достаточно давно интересуюсь. Я постарался сохранить оригинальный авторский стиль где это было возможно. Некоторые фразы и идиомы, коенчно же, были адаптированы. Фотографии были взяты из авторской статьи без изменений. Стив Адлер, автор оригинальной статьи, любезно позволил сделать этот перевод и поместить его на моем блоге. Если вам интересно, вы всегда можете прочесть оригинал статьи. Я буду рад любым комментериям относительно правильности перевода - некоторые вещи иногда достаточно сложно перевести так, чтобы оставить и смысл, и ту интонацию, которую в свой текст вкладывал автор.
Вы всегда хотели работать на 160-метровом любительском диапазоне, проводя местные и DX-связи, но у вас нет места для установки диполя или вертикальной антенны с соответствующей системой противовесов?
Вы страдаете от местного QRM до такой степени, что наиболее полезные сигналы скрываюдся под шумами?
Значит, антенна с передающей магнитной петлей (Transmitting Magnetic Loop Antenna, TMLA) для 160-метрового диапазона может быть именно тем решением, которое вы ищете!
Есть несколько замечаний, которые необходимо учесть, прежде чем строить эту антенну.
1. Эта антенна имеет диаметр более трех метров и весит около 30 кг.
2. Антенна должна быть установлена на подходящей мачте и должна быть надежно закреплена.
3. TMLA производит очень высокое напряжение и сильные магнитные поля. При выборе безопасной монтажной позиции необходимо соблюдать особую осторожность.
4. Антенна должна быть способной вращаться, поскольку на горизонтальной диаграмме направленности (HRP) под углом 30 градусов по высоте наблюдаются явные нули. (VRP)
5. Антенна будет стоить свыше 1000 австралийских долларов (700 USD), если вам необходимо приобретать все необходимые компоненты и материалы.
6. Проводимость грунта в ближнем поле антенны повлияет на ее производительность. (Однако существуют методы, которые можно использовать для минимизации потерь)
7. Все соединения должны быть паяными.
Теперь, прежде чем я начну свое подробное описание того, как построить эту антенну, вы должны скачать и прочитать отличную статью Ли Тёрнера (VK5KLT) об Антеннах с магнитной петлей. Прочитайте ее несколько раз!
http://www.ahars.com.au/articles.html
Эта статья дала мне такое вдохновение, что я захотел и смог построить такую антенну.
Критерии дизайна
В рамках работы над дизайном я хотел получить следующее:
Разработать очень компактную антенну, которая излучает разумное количество RF под углами от 20 до 45 градусов для работы в режиме DX. Наличие зенитного излучения для местных связей должна быть приятным дополнением.
Придумать физический дизайн, который можно смоделировать в NEC, чтобы увидеть, как антенна будет себя вести. Используя модель, построить антенну, а затем подтвердить предсказанные результаты с помощью измерений напряженности поля в дальнем поле.
Опубликовать проект, позволяющий другим делать антенну с воспроизводимыми результатами, в основном из предметов, купленных в хозяйственном магазине, с использованием основных ручных инструментов.
Дизайн и фаза конструирования
Небольшая антенна с магнитной петлей определяется как имеющая приблизительно 1/10 длины окружности волны. Это соответствует примерно 16 метрам для 160-метрового диапазона. При такой длине окружности диаметр петли будет примерно 5,2 метра.
August R. Hansen (KB0YH) предоставил мне вот такое исправление: "Джон Краус сказал в своей книге «Антенны», что периметр контура может быть до 1/3 длины волны, чтобы поддерживать требуемый постоянный ток в контуре в пределах 1% , который определяет антенну магнитного контура. Я использую 30% максимальной длины проводника. Значение одной десятой лямбды важно для направленных приемных рамок, но она слишком мала для передающих рамок, которые, как правило, работают в диапазоне 10-30% лямбда, чтобы обеспечить адекватную полосу пропускания на рабочей частоте".
Я решил, что этот размер слишком велик, чтобы можно было создать неметаллическую опорную конструкцию. Поиски дизайна в интернете привели меня к рассмотрению двухвитковой магнитной петли, примерно вдвое меньшей диаметра.
Наконец, я остановился на изготовлении двух петель диаметром около трех метров, что имеет определенные преимущества!
Такая конструкция гораздо более приемлема по размеру.
Индуктивность петли увеличивается в четыре раза, поэтому требуется меньшая емкость, чтобы привести ее в резонанс. (переменный конденсатор обойдется дешевле)
Эффективность немного возрастает, потому что теперь длина окружности составляет около 23 метров.
Хотя сопротивление излучения антенны существенно снижается благодаря выбору меньшего диаметра размера петли (3 метра), дополнительный виток увеличивает это сопротивление в четыре раза, что компенсирует примерно половину того, что было потеряно из-за уменьшения площади петли.
Сопротивление излучения данной антенны зависит от апертуры петли. Сопротивление, снижающее эффективность, пропорционально окружности петли, а сопротивление излучения пропорционально квадрату площади петли или четвертой степени окружности.
В реальности дизайн TMLA сводится к тому, чтобы найти такую длину окружности, при которой сопротивление излучение будет максимальным, а сопротивление потерь - минимальным. При этом величина увеличения сопротивления излучения должна быть больше величины увеличения сопротивления потерь.
В этой конструкции эта цель вполне достигается на 160 метровом диапазоне и хорошо достигается на 80 метрах, где эффективность антенны становится впечатляюще высокой из-за быстрого роста сопротивления излучения TMLA, значительно опережающего и увеличивающего сопротивление потерь!
На 160-метровом диапазоне нужно постараться сделать так, чтобы добротность антенны была не очень высокой, чтобы результирующая ширина полосы по приемлемому КСВ не была слишком узкой, чтобы иметь возможность работать и телеграфом, и телефоном. В противном случае вам придется повозиться с достаточно тонкой подстройкой частоты резонанса антенны.
И что теперь? Жизнь в Аделаиде (Южная Австралия) имеет свои преимущества. Четыре различных сезона, возможно, одни из лучших вин в мире и доступ к трем наставникам, которые помогли мне с бесценным вкладом на этапе проектирования антенны.
Ли Тёрнер VK5KLT, Пол Лоусон VK5SL, и Тревор Харвуд VK5YFR живут в Аделаиде или в ее окрестностях.
Ли, ты уже знаешь об этом, потому что к настоящему времени ты уже несколько раз прочел его превосходную статью! Пол, Тревор и я все еще работаем в индустрии вещания и знаем друг друга много лет.
Помимо прочего, Пол является экспертом по моделированию СЧ и ВЧ антенн. Тревор имеет консалтинговый бизнес, который специализируется на предоставлении систем передачи высокой мощности для вещательной индустрии.
Лучшее, что я когда-либо делал на этапе проектирования, - это пригласил этих трех экспертов на обед!
После обсуждения было решено, что двухвитковая конструкция тоже будет работать, но вопрос был в том, насколько хорошо. Пол провел часы в придумывании модели NEC, изображенные ниже.
Посмотрите, насколько хорошо антенна излучает под углом 30 градусов над горизонтом относительно изотропного излучателя. Разница лишь 3 дБ! Такой же результат может быть получен с помощью полуволнового диполя размещенного на высоте по крайней мере в четверть волны!
Токи при подаче 400 ватт. В некоторых местах они достигают 87 ампер. Обязательно пропаивайте все соединения!!!!!!
Моделирование ближнего поля
3D модель вертикальной и горизонтальной составляющих ближнего поля
Note the Broadside Null under 30 degrees in elevation
Примечения от Поля, VK5SL
Выходные данные NEC, включенные в эту итерацию, включают: страницу ввода/вывода для расчета 4NEC2, графики импеданса фидера, схематическое изображение диаграммы направленности на расстоянии 1 километра, ток в антенне при входной мощности 100 Вт, вертикальное усиление в дБ и, наконец, уровень излучаемой вертикальной составляющей на расстоянии 1 километра также для подводимой мощности в 100 ватт.
NEC - 4.2 Radiated patterns for the SFA loop at a center height of 3 meters @ 1 km Ground Conductivity 30 mS - Dielectric Constant 13
Я предложил использовать волновод Heliax™ в качестве материала для основной петли. Волновод Heliax™ похож на коаксиальный кабель Heliax™. Он имеет гофрированный внешний проводник сделанный из цельной меди, который защищен полиэтиленовой оболочкой и, тем не менее, является относительно гибким; в отличие от коаксиального кабеля в нем нет ничего, кроме воздуха. Это делает его очень легким, в то же время обеспечивая необходимую площадь поперечного сечения, необходимую для работы передающей антенны с магнитной петлей. Мы приобрели б.у. волновод с частотой 7 ГГц, который весил около 700 грамм на метр. Очень практично!
Ниже приведена фотография волновода, уже оснащенного монтажным устройством.
Поперечное сечение волновода Heliax™
Антенну обязательно нужно привести в резонанс, чтобы она могла работать. Это делается путем подключения конденсатора параллельно с индуктивностью контура. Я использовал переменный вакуумный конденсатор Jennings™ емкостью от 25 до 500 пф, рассчитанный на 15 кВ. Более чем достаточный запас по напряжению, чтобы выдержать 400 Вт входной мощности. (Для однооборотной петли потребуется конденсатор 750–1000 пикофарад, который стоит более чем в два раза дороже)
Как упоминалось ранее в этой статье, TMLA очень опасны для живых существ, которые находятся в непосредственной близости от антенны во время передачи.
Настраиваемый конденсатор должен регулироваться с помощью пульта дистанционного управления. Я добился этого, используя очень дешевый двигатель постоянного тока, имеющий редуктор 10:1, и ШИМ-контроллер двигателя постоянного тока.
Оба предмета были куплены у на EBAY по очень скромной цене.
Многие люди используют шаговые двигатели и тому подобное, но я обнаружил, что мой вариант имеет скорость настройки один пикофарад в секунду. Идеальная скорость для настройки антенны с высокой добротностью.
Обратите внимание на использование приводного соединителя с керамическим изолятором последовательно с приводным валом для изоляции ВЧ токов от двигателя. Этот переходник поставляется с вакуумным конденсатором Second Hand Jennings ™.
Контроллер двигателя с потенциометром скорости и переключателем прямого и обратного хода.
Посмотрите видео системы настройки в действии. На мультиметре отображаются пикофарады.
Дизайн
Как я упоминал ранее в этой статье, петли должны поддерживаться неметаллическим каркасом. В идеале, основание должно быть прочным, достаточно легким и легко приобретаемым. В конечном итоге я использовал трубы и фитинги из ПВХ высокого давления диаметром 50 мм. В Австралии крестовины, тройники и фитинги торцевых крышек были приобретены у http://www.perthirrigation.com. 50-мм водопроводная труба из ПВХ была приобретена в местном хозяйственном магазине.
Каждая секция кронштейна для труб из ПВХ имеет длину 1,5 метра. Расстояние между деталями Т составляет 600 мм от центра к центру
Обратите внимание на деревянную рейку внутри нижней вертикальной трубы из ПВХ. Это потребовалось для придания жесткости конструкции и очень хорошо работало при этом, не добавляя слишком много веса. Размеры бруса 40 мм х 40 мм х 2,2 метра.
Проверка установки волновода без установленных заглушек. Примерная длина - 23 метра.
Торцевые заглушки с 38-миллиметровым отверстием, вырезанным в середине, использовались для поддержки и центрирования волновода.
Испытание вертикальной части
Узел настройки переменного вакуумного конденсатора должен был быть установлен на каркасе и подключен к волноводу. Это было достигнуто с помощью зажимов и плоской медной полосы шириной 50 мм. Как видно, я использовал медные гайки и болты для соединения медной полосы с волноводом. Это была только временная мера на этапе монтажа. После завершения конструкции все соединения были пропаяны. Помните, что сопротивление - это естественный враг TMLA !!!! (См. Отличную статью Ли). Не поддавайтесь искушению заменить толстый медный провод или плетеный медный ремень. ВЧ ток, циркулирующий вокруг петли, проводится за счет скин-эффекта. Площадь поверхности и низкое сопротивление являются ключевыми в правильной работе этой антенны.
Небольшое "оригами".
Паяное соединение между плоским медным ремешком и волноводом Helaix ™
Гидроизоляция с использованием большого количества слоев ПВХ ленты, стойкой к ультрафиолету.
Следующим шагом было создание экранированной первичной петли Фарадея для возбуждения вторичных петель. Я выбрал коаксиальный кабель LDF450 Heliax ™, потому что он имеет сплошной медный внешний проводник, который обладает лучшими характеристиками скин-эффекта, чем коаксиальный кабель с оплеточным внешним проводником, такой как RG213. Все, что я когда-либо читал о возбуждении первичного контура TMLA, говорит о том, что первичный контур должен быть примерно 1/5 диаметра вторичного контура для максимальной передачи мощности и хорошего сопротивления, соответствующего 50-омной несимметричной линии передачи. К сожалению, этого не произошло! Я рассчитал диаметр первичной петли равным 600 мм в диаметре. Ниже приведены некоторые фотографии снятые в процессе постройки антенны.
Защита от атмосферных воздействий была достигнута с помоью резиновой самозатвердевающей ленты со слоем УФ-стабилизированной ПВХ-ленты для ее защиты.
Временная тестовая установка. Обратите внимание на первичную петлю возбуждения диаметром 600 мм. Первоначальные результаты были неутешительными: обратные потери составили 6 дБ. (КСВ 3:1) Я посоветовался с Ли и он предложил мне построить первичную петлю большего диаметра. Я сделал петлю диаметром 900 миллиметров и результат сразу же дал о себе знать: потери составили приблизительно 22 дБ. (КСВ 1,16: 1)
Полоса пропускания на 160 метров по уровню КСВ 2:1 составляет около 4 кГц. Достаточно широкий, чтобы втиснуть сигнал SSB (нижняя боковая полоса), если вы поместите подавленную несущую на верхнюю сторону. Как и ожидалось, ширина полосы на 80 м составляет 8 кГц по уровню КСВ 2:1.
Фактическая скорость настройки TMLA.
Обратите внимание на пик шума приемника и спектр на дисплее водопада, когда резонансная частота перемещается вверх по диапазону 160 метров.
Этап тестирования
Теперь самое интересное. Очень неплохо вначале заняться моделированием вашей будущей антенны. Программы моделирования антенн дают вам очень хорошее представление о том, чего ожидать. Лично я немного староват и мне нравится измерять производительность в полевых условиях с помощью калиброванных измерительных приборов. Собранные эмпирические данные могут затем использоваться для подтверждения и точной настройки модели. Измерение горизонтальной диаграммы направленности (HRP) большинства антенн относительно простое занятие. Измерение вертикальной диаграммы направленности (VRP) может быть немного сложнее. (Особенно на КВ антеннах). Я выдвинул предложение использовать большое дерево гуавы для «полёта» измерителя напряженности поля, чтобы иметь возможность измерять VRP от 0 до 45 градусов по высоте. Идея заключалась в том, чтобы использовать горизонтальную ветвь высотой около 25 метров, чтобы позволить формирование равностороннего треугольника с тестируемой антенной на земле. Все хорошо в теории, но в ближнем поле создавалась только магнитная составляющая волны, и измеритель напряженности поля показывал неправильные значения. HRP был измерен в дальнем поле и оказался в пределах 1 дБ от того, что предсказывала модель. Нули были в нужных местах. Было очень приятно осознать, что наша модель оказалась правильной.
Антенна разобрана и готова к транспортировке на полигон.
Антенна в тестовом положении. Обратите внимание на новую петлю связи диаметром 900 мм.
Крюк для подьема измерителя.
Пол готовит измеритель напряженности поля для тестирования VRP.
Обратите внимание на рулетку, висящую снизу, чтобы мы могли рассчитать градусы по высоте.
Около 15 градусов по высоте. Обратите внимание на тестируемый TMLA вдали.
При измерении на 45 градусах нам пришлось использовать бинокль, чтобы увидеть измеритель напряженности поля и записать результаты!
Ранее в статье было высказано предположение о неоднородности проводимости грунта. Пол настоял, чтобы мы измерили еще и это, и попросил меня создать систему для развертывания надземной радиальной системы. Он также попросил меня сделать два четвертьволновых радиала в плоскости антенны, чтобы мы могли измерить влияние земли под ней. Испытания состояли из измерений напряженности поля в дальнем поле TMLA без каких-либо радиалов, затем с использованием восьми нерезонансных радиалов и, наконец, измерений с двумя четвертьволновыми радиалами, лежащими на земле в плоскости с антенной. Лучшие результаты были измерены без каких-либо радиальных присутствий. Это согласуется с проводимостью почвы в моей области. Если в вашей местности есть роблемы с поглощением грунта, то они легко могут быть преодолены с помощью радиальной системы заземления.
8 приподнятых радиалов.
Изоляция радиалов от земли с помощью резинового жгута. Каждый радиал был длиной 10 метров. Восемь поднятых радиалов были предназначены для отделения TMLA от земли.
Окончательная установка на QTH VK5SFA.
Обратите внимание на 20-литровую пластиковую канистру, покрывающую сборочный конденсатор, чтобы защитить его от атмосферных воздействий.
Также обратите внимание на дополнительную трубу из ПВХ в верхней части антенны, которая позволяет двум веревкам удерживать конструкцию от падения. Эта модификация теперь позволяет поворачивать антенну на 180°. Модификация потребовала замены верхнего тройника на крестовину. Второй кусок деревянного бруса был вставлен в горизонтальную часть, чтобы добавить всей конструкции дополнительную жесткость.
Посмотрите видео, показывающее, насколько хорошо работает эта новая система:
Большие кабельные стяжки использовались для предотвращения движения волновода.
Токовый дроссель необходим для остановки ВЧ токов, затекающих по внешней линии электропередачи и для симметрирования контура связи. Вы также должны использовать ферритовые кольца вокруг всех других проводников (кабель управления серводвигателем и кабель управления повороткой), чтобы минимизировать их влияние на антенну. Я делал это каждые четыре-пять метров или около того. В качестве меры предосторожности я также вставил еще один токовый дроссель в линию передачи примерно в 10 метрах от антенны.
Теперь нужно понять, насколько хорошо работает эта антенна. Самое поразительное, что вы впервые заметите в TMLA, это насколько эта антенна тихая на прием. Я живу на окраине пригорода, окруженного плазменными телевизорами, массивами солнечных батарей с питанием от сети, модемами ADSL, множеством импульсных источников питания и всевозможными ВЧ помехами на любительских КВ диапазонах иногда могут быть ужасными! Ниже приведена фотография моего S-метра на 160 м в особенно шумный день при использовании резонансного Inverted V на 160 метров.
Та же частота на TMLA. Невероятно!
Это видео на YouTube воспроизводит нашу местную станцию WIA, принимаемую попеременно на Inverted V (Ant 3), затем на TMLA (Ant 4), обратно на Inverted V (Ant 3) и, наконец, на TMLA (Ant 4).
TMLA принимала местные сигналы на 10 дБ лучше, чем Inverted V. Это, безусловно, вызвало большой интерес.
С февраля 2016 года: 31 территория DXCC: Тонга, США, Германия, Италия, Япония, Огасавара, Аляска, Литва, Финляндия, Европейская Россия, Азиатская Россия, Украина, Греция, Восточная Кирибати, Канада, Остров Херд, Палау, Остров Норфолк, Новый Зеландия, Австралия, Филиппины, Соломоновы Острова, Ниуэ, Мелиш Риф, остров Чатем, остров Дюси, Франция, Гуам, Самоа, Шри-Ланка (SFA Loop to SFA Loop), Вануату и Аргентина. (SWL) В основном на CW и в основном на Grey Line. 4 Континента. (Пока нет Африки) Более 300 QSO. Все на 100 Вт CW или FT8. Это говорит мне о том, что антенна работает и принимает сигналы с низких углов места.
80 метров - это отдельная история. Я работал SSB с США и Соломоновыми островами, а также почти все штаты Австралии. (Станция в США не могла поверить, что я использую TMLA диаметром 3 метра, так как меня время от времени было слышно на 59+).
Мой первый подтвержденный DX на TMLA.
Вот как я слышал HG8DX на TMLA! (28-2-2016 @ 21:00)
Заключение
Порекомендовал бы я строить эту антенну? Абсолютно. Моя TMLA - это узкополосная антенна с широкой полосой пропускания (от 160 до 75 метров). На всякий случай, предупреждение: получите одобрение супруга/партнера, прежде чем строить эту антенну. Помните, красота в глазах смотрящего!
И наконец, несколько мудрых слов от Ли VK5KLT:
Таким образом, мы можем сказать, что TMLA по сравнению с обычными 160-метровыми дипольными/монопольными антеннами намного чувствительнее в ближнем поле. Большая часть подводимой мощности фактически попадает в требуемое распространяющееся дальнее поле до того, как непроводящий грунт поглощает ее! И эта излучаемая мощность, успешно запускаемая в эфир, распространяется под хорошим низким углом, что очень хорошо для работы с DX.
Это уникальная ситуация, учитывая, что близкое магнитное поле индукции не слишком ослаблено слишком малой высотой мачты.
Общая энергия не зависит от высоты мачты и изменении добротности антенной системы и, следовательно, ширине полосы пропускания по приемлемому КСВ объясняется изменением общего сопротивления точки подключения фидера (имеющего 3 составляющих: сопротивление излучения (Rrad), сопротивление потерь (Rloss) и сопротивление потерь в грунте(Rgnd)). Основной вклад здесь вносит крутое изменение сопротивления потери на землю (Rgnd) из-за очень большой чувствительности ближнего поля. Компонент Rgnd уменьшается довольно быстро с увеличением высоты в то время как сопротивление излучения Rrad изменяется довольно слабо. Собственное сопротивление потерь Rloss антенны остается практически постоянным с изменениями высоты. Для любительских антенных систем на 160 метров действительные показатели MLA в эфире гораздо важнее, чем попытка определить эффективность излучения как таковую. Даже скромные несколько ватт, передаваемых по желаемой траектории распространения волны, гораздо эффективнее, чем сотни ватт, излучаемых под неправильным углом!
Для любительского использования в ограниченных участках пригородных дворов эффективность использования антенн не так важна до тех пор, пока можно наслаждаться множеством QSO и получать массу удовольствия, бросая вызов общепринятому мнению!
Тем не менее вопрос теоретической эффективности компактных передающих рамочных антенн по сравнению с другими ESA структурами вызывает интерес и имеет практическое значение, которое неразрывно связано с вредным взаимодействием с землей. Неэффективные антенны не могут быть допущены в приложениях радиовещания большой мощности, где затраты энергии становятся проблемой, и, следовательно, не существует места для неэффективных антенн.
Максима от VK5KLT: при условии, что низкочастотная или низкочастотная антенна с эффективностью всего лишь в несколько процентов эффективнее излучает несколько ватт по DX-траектории при правильном направлении и высоте, она будет работать так же хорошо, как эффективная или намного лучше, чем эффективная полноразмерная дипольная антенна рассеивающая сотни ватт в неправильном направлении! Это ключевое и часто имеющее очень большое значение при оценке часто недооцененных MLA.
Нет сомнений в том, что для радиолюбителя с ограниченным пространством для обычной 160-метровой антенны маленькая MLA может быть очень эффективной системой, работающей лучше, чем можно ожидать при первом взгляде на нее, даже несмотря на то, что ее эффективность излучения будет всего лишь несколько процентов при размещении реальных условиях, когда антенна неизбежно связана с землей и взаимодействует с ней, хотя и в меньшей степени, чем используемые диполи лиапазонов MW и LW. Несмотря на этот недостаток, MLA будет по-прежнему превосходить обычные низкочастотные антенны на DX трассах из-за низкого угла излучения.
Ли, VK5KLT
Надеюсь, вам понравилось читать об этом проекте TMLA на 160 метров. Надеюсь, эта статья вдохновит вас на постройку своей антенны на этот диапазон. До встречи на Top Band!
73 and Good DX Steve VK5SFA
Комментариев нет:
Отправить комментарий