Петлевая антенна. Кв антенны. Антенны мобильных телефонов

Приветствую, дорогие друзья.

С вами Тимур Гаранин.

Один из моих подписчиков попросил меня, чтобы я объяснил, как работают wi-fi антенны наподобие тех, которые вы видите на экране. Это продолговатые плоские структуры, на поверхности которых можно разглядеть медные дорожки, по форме напоминающие петельки. Антенны окрашены однотонно, поэтому очень сложно различить на видео, где что. Для того, чтобы было более понятно, где проходят дорожки, мы окрасим медные части красным цветом на рисунке.

Даже на этом этапе уже видно, что это система петлевых вибраторов. Но давайте по порядку. Экран и длинный проводник вдоль экрана являются аналогом кабеля. Медная часть имеет немного переменную ширину, что сделано для лучшего согласования кабеля с петлевыми вибраторами и для укорочения длины антенны.

Ну и сами вибраторы. Это петлевые антенны, подключенные попарно. Фактически тоже самое, что биквадрат, только билуп. Пары этих петлевых вибраторов подключены к одному кабелю на расстоянии одной длины волны друг от друга по кабелю. Какая здесь поляризация поля, я думаю очевидно.

И обратите внимание на тот факт, что второй проводник кабеля выполнен в виде широкого экрана. Поэтому эта антенная система излучает только в одну сторону.

Подытожив всё вышесказанное, имеем антенную систему из 4 петлевых вибраторов и экрана.

Можно ли эту антенну подключать непосредственно к кабелю? Всё зависит от того, Какое сопротивление у кабеля и какое сопротивление у этой антенной системы. На глаз это определить невозможно, поэтому придётся читать документацию по этой антенне, либо проверять на практике.

Это не единственная антенна, которая мы рассмотрим сегодня. Взгляните на эту миниатюрную антенну на печатной плате. Известно, что работает она на частоте 2.4 гигагерца. Рассматривая эту антенну, сначала я думал, что это просто укороченная стержневая четвертьволновая антенна. Но, измерив длину дорожки, я обнаружил, что длина ее больше, чем четверть длины волны для частоты 2,4 ГГц.

Следовательно, это не просто четвертьволновый отрезок.

Более того, присмотревшись, можно увидеть, что вся антенна сидит на экране. И самое главное, у неё имеется дополнительный короткий отрезок, который не сразу заметишь.

Я могу ошибаться, но, кажется, у нас тут целая J-образная антенна на экране.

Длинная часть антенны соответствует трем четвертям волны, короткая часть антенны — 1 четверти волны.

Для того, чтобы уменьшить габариты антенны, здесь, на плате, сделано следующее:

1) Во-первых, длинная часть выполнена зигзагом, чтобы уменьшить ее длину.

2) Во-вторых, дорожки антенны относительно широкие, и вся антенна лежит плотно на экране, что значительно увеличивает емкость полотна и обеспечивает достаточный коэффициент укорочения.

Из всего этого мы можем определить поляризацию этой антенны. А также отметить тот немаловажный факт, что антенна излучает в только в сторону от экрана.

На этом сегодняшний ролик я заканчиваю. Всем удачи! И обязательно пишите в комментариях, о чём бы вы ещё хотели услышать.

Трехэлементная рамочная антенна имеет узкий главный лепесток диограммы направленности и высокий коэффициент усиления. Для ДМВ диапозона, в котором транслируется российские 1, 2 и 3 мультиплекы в формате DBV-T2, размеры антенны очень компактны. Поэтому «Тройной квадрат» с успехом может заменить комнатную антенну.

Наиболее оптимальная длина ребра рефлектора на 4% больше длины ребра вибратора. Зависимость усиления рамочной антенны «Тройной квадрат» от расстояния между элементами приведена на рисунке. При Б = 0,11L имеем максимальное усиление.

Входное сопротивление антенны, как и ее усиление, также определяется расстоянием между элементами антенны. Например, при расстоянии между рефлектором и вибратором Б=0,11L получаем, что входное сопротивление антенны равно 65 Ом, а усиление по сравнению с полуволновым диполем равно 6,6 дБ.

При расчете антенны типа «Тройной квадрат» можно пользоваться следующими формулами: В = 0,255L; Р = 0,261L; Д = 0,247L, где L - длина волны. Оптимальное расстояние между элементами А (Б) = 0,11....0,15L. Размеры элементов для дециметрового диапозона (телевизионных каналов 21 - 80) антенны «Тройной квадрат» приведены в таблице.

Каналы	Д (мм)	В (мм)	Р (мм)	А (мм)	Б (мм)	Ш (мм)
21 - 26	134	158	193	57	98	152
27 - 32	122	144	176	61	89	139
33 - 40	110	131	160	55	80	126
41 - 49	99	117	143	50	72	112
50 - 58	89	105	129	45	69	102
59 - 68	81	96	113	41	59	92
59 - 80	73	86	106	37	53	83

Сетка частот телевизионных каналов в г. Жуковском Московской области.

Поэтому в данном населенном пункте оптимальной будет антенна, расчитанная на 30 телевизионный канал (Несущая частота 546 МГц).

Рамочную антенну «Тройной квадрат» можно улучшить путем добавления еще трех элементов. Коэффициент усиления доработанной антенны значительно возрастает, что даст ей преимущество при использовании ее как в комнатном, так и в наружном варианте. Конструкция антенны представлена на рисунке,

размеры - в таблице.

Каналы	З	Г	Ж	Д	В	Р	А	Б	И	К	Л	Ш
21… 26	68	90	112	134	158	193	67	98	55	43	31	150
27 … 32	56	79	100	122	144	176	61	89	49	37	25	138
33… 40	44	66	88	110	131	160	55	80	43	31	19	124
41 … 49	33	55	77	99	117	143	50	72	38	27	16	109
50… 58	24	45	67	89	105	129	45	69	34	21	12	99
59 … 68	17	38	59	81	96	113	41	59	30	18	8	96
69… 80	10	31	52	73	89	106	37	53	26	14	4	81

Для изготовления можно использовать провод из меди или латуни диаметром 3...5 мм. Провод последовательно выгибается по форме, показанной на рисунке, места соединений спаиваются. Для большей прочности конструкции перед пайкой места соединений можно стянуть тонкой медной проволокой.
Антенный кабель припаивается в точках«а» и «в». В точке «с» оплетка кабеля соединяется с материалом антенны.

Петлевой вибратор, который анализировался ранее, не является единственным вариантом петлевой антенны. К этой группе антенн принадлежит также большое количество других вариантов антенн, которые и будут рассмотрены в данном параграфе.

Обратимся к рис. 5.118а , на котором показана трансформация петлевого вибратора (сплошная линия) в квадрат (пунктирная линия) со стороной λ/4 . Полученная таким образом антенна получила название антенны «квадратный ромб» , а иная конфигурация той же антенны (рис. 5.118г ) типа «квадрат» .

В этих антеннах точки В и D приближаются друг к другу и расстояние между ними составляет 0,35λ для антенны «квадратный ромб» и 0,25λ для антенны типа «квадрат». Одновременно точки А и С удаляются друг от друга.

В антенне типа «квадрат», показанной на рис. 5.118г , токи, протекающие по горизонтальным проводам антенны, синфазны, а токи, протекающие по вертикальным проводам, противофазны. Аналогичная картина наблюдается и в антенне «квадратный ромб». Чтобы убедиться в этом, достаточно разложить на вертикальные и горизонтальные составляющие токи, протекающие по всем четырем сторонам антенны (рис. 5.118е ).

Изменение точек подключения питания антенны (рис. 5.118в , д ) приводит к изменению поляризации излучения антенны; антенна излучает вертикально поляризованную волну.

Различные схемы питания антенны показаны на рис. 5.119. Отметим, что в точке С , находящейся «напротив» точки подключения питания А , появляется узел напряжения. Это свойство антенны позволяет соединить заземление мачты именно с этой точкой антенны, что естественно, в значительной мере упрощает конструкцию антенны в целом. Одновременно отметим, что точки В и D имеют наибольший потенциал, и поэтому при креплении несущих элементов антенны к этим точкам требуются хорошие изоляторы.

Наиболее эффективно излучающая часть антенны типа «квадрат», т. е. та часть антенны, по которой протекают наибольшие токи, имеет длину около 0,25λ . Некоторое укорочение излучающей части антенны, приводящее к снижению уровня излученного поля, в избытке компенсируется наличием противоположной синфазно возбужденной части антенны, вследствие чего результирующее усиление на 1 дБ больше, чем усиление полуволнового диполя.

Направленные свойства антенны типа «квадрат» в не очень большой степени зависят от формы антенны. В плоскости XY диаграмма направленности антенны близка к диаграмме полуволнового диполя, т. е. имеет вид восьмерки. В экваториальной плоскости диаграмма имеет вид эллипса, большая ось которого нормальна к плоскости антенны. Отметим также, что, кроме главного лепестка в диаграмме излучения присутствуют боковые лепестки с небольшим уровнем излучения, которые имеют другую, ортогональную поляризацию излучения.

Достаточно интересным является сопоставление диаграмм направленности дипольных антенн и различных модификаций петлевых антенн, расположенных на небольшой высоте над землей. На рис. 5.120 приведены такие диаграммы, полученные при условии, что ни одна точка антенны не расположена над землей на высоте большей, чем λ/4 . На этих рисунках сплошные линии соответствуют горизонтальной поляризации, а пунктирные - вертикальной. Интересно отметить, что при использовании петлевой антенны в форме «дельта» (форма антенны напоминает греческую букву дельта - Δ ) наблюдается большой уровень излучения вертикально поляризованной волны под сравнительно малыми углами относительно горизонта (рис. 5.120и , к ), что благоприятно для организации длинноволновой радиосвязи.

Показанные на рис. 5.120 варианты петлевых антенн значительно расширяют возможности использования этих антенн по сравнению с антеннами, схемы которых приведены на рис. 5.118 и 5.119. Можно сказать, что свойства практически всех вариантов петлевых антенн не изменяются в больших пределах, если периметр антенны c = λ . Здесь же отметим, что петлевая антенна, периметр которой равен длине волны, является основным вариантом реализации магнитного диполя (см. также § 5.7).

Теперь рассмотрим вопрос с соотношении физической и электрической длин петлевых антенн. Если раньше при анализе дипольных антенн мерой соотношения двух указанных длин являлся коэффициент укорочения, то для этой группы антенн необходимо ввести понятие коэффициента удлинения К .

Значение коэффициента удлинения зависит от отношения c/d , где с - периметр антенны, d - диаметр провода, из которого выполнена антенна.

Коэффициент удлинения $$\begin{equation}K=1+\frac{0,4}{W_s}+\frac{3}{W_s^2}\end{equation}\tag{5.13}$$ где коэффициент W S задается выражением $$\begin{equation}W_s=2\ln\left(2,54\frac{c}{d}\right)\end{equation}\tag{5.14}$$

Вместо вычисления коэффициента удлинения по приведенным формулам можно определить значение К с помощью графиков на рис. 5.121. Сначала для заданного отношения c/d на графике рис. 5.121а отыскивают значение коэффициента W S , а по графику на рис. 5.121б определяют значение К .

С помощью графиков, приведенных на рис. 5.122, можно также определить усиление антенны (относительно усиления полуволнового диполя).

Хорошие результаты, полученные с антенной «Magnetic Loop», побудили I1ARZ попытаться построить антенну на НЧ-диапазоны. Вначале он намеревался построить петлевую антенну круглой формы (рис.1) с периметром около 10,5 м, что составляет четверть длины волны на диапазоне 7 МГц. Для этой цели была изготовлена петля из медной трубки диаметром 40 мм с тонкими стенками Однако в ходе работ выяснилось, что сгибание и разгибание трубок таких размеров - достаточно трудное дело, и форма антенны была изменена с круглой на квадратную. Некоторое снижение эффективности при этом компенсируется значительным упрощением изготовления.

Для диапазона 1,8…7,2 МГц можно использовать медную трубку диаметром 25…40 мм. Можно также использовать дюралевые трубки, однако не у всех есть возможность сварки в аргоне. После сборки вся антенная рамка покрывается несколькими слоями защитного лака.

Для правильной работы антенны очень важен настроечный конденсатор. Он должен быть хорошего качества, с большим промежутком между пластинами Использован вакуумный конденсатор емкостью 7…1000 пФ с допустимым напряжением 7 кВ Он выдерживает мощность в антенне более 100 Вт, что вполне достаточно. В том случае, когда используется диапазон 160 м, емкость должна достигать 1600 пФ.

Петля квадратной формы собирается из четырех медных трубок длиной 2,5 м и диаметром 40 мм Трубки соединяются вместе с помощью четырех водопроводных колен из меди. Трубки привариваются к коленам. Противоположные стороны рамки должны быть параллельны друг другу. В верхней трубке посередине вырезается кусок длиной в 100 мм, в вырез вставляется тефлоновый шпиндель и закрепляется с обеих сторон хомутиками и винтами. Диагональ петли составляет 3,4 м, полная длина - 10,67 м (вместе с медными пластинками шириной 50 мм, к которым прикреплены концы трубки, обеспечивающими подключение настроечного конденсатора). Для обеспечения надежного контакта пластинки после их прикрепления необходимо приварить к концам трубки.

На рис.2 приведена конструкция рамки вместе с основанием и несущей мачтой. Мачта должна быть диэлектрической, например из стеклволокон- ного удилища. Можно использовать также пластмассовую трубку. В нижней части рамка фиксируется на несущей мачте стальными хомутиками (рис.3).

Для упрочнения нижнего горизонтального куска рамки на него натягивается на длине примерно 300 мм нагретая медная трубка несколько большего диаметра. Мотор, вращающий конденсатор, укрепляется на стальной трубе на высоте над крышей около 2 м. Для придания жесткости всей конструкции ниже мотора устанавливается не менее трех растяжек.

Проще всего согласовать антенную рамку и линию питания с помощью витка коаксиального кабеля типа RG8 или RG213 Диаметр витка определяется опытным путем (примерно около 0,5 м). Подключение внутренней жилы и оболочки кабеля осуществляется в соответствии с рис.4

После того как согласующий виток настроен на наименьший КСВ, для защиты от осадков поверх места подключения натягивается гофрированная пластмассовая трубка. На конце согласующего витка нужно установить коаксиальный разъем. В месте нижнего крепления согласующего витка под крепежный дюралюминиевый хомут продевается кусок медной ленты, которая после загибания припаивается к экранирующей оболочке кабеля. Она нужна для хорошего электрического контакта с заземленной дюралевой трубкой (рис.5). В верхней части согласующий виток крепится к диэлектрической мачте резиновыми хомутиками.

Если антенна располагается на крыше, для дистанционного управления настроечного конденсатора необходим блок привода мотора постоянного тока. Для этой цели годится какой-либо магнитофонный мотор небольших размеров с небольшим редуктором. Мотор связывается с осью конденсатора изолирующим сцеплением или пластмассовой шестерней Ось конденсатора необходимо также механически присоединить к потенциометру 22 кОм группы А С помощью этого потенциометра внизу определяется положение настроечного конденсатора. Полная схема блока управления показана на рис.6.

Естественно, потенциометр необходимо расположить с той же стороны, что и мотор, соединив их двумя пластмассовыми шестернями или фрикционной передачей. Весь блок настройки размещается в герметично закрывающемся пластмассовом корпусе (или трубке). Кабель к мотору и провода от потенциометра прокладываются вдоль стекло- волоконной несущей мачты. В случае, если антенна размещается недалеко от радиостанции (например на балконе), настройку можно осуществлять непосредственно с помощью длинного валика на изолированной ручке.

Размещение настроечного конденсатора

Как уже упоминалось, неподвижная и подвижная части настроечного конденсатора присоединяются к верхней, разрезанной части рамки с помощью двух медных пластин толщиной около 0,5 мм, шириной 50 мм и длиной 300 мм каждая. Настроечный конденсатор размещается в пластмассовой трубке, которая крепится к вертикальной стекловолоконной несущей мачте (рис.7). Верхняя часть рамки соединяется тефлоновым шпинделем и крепится к несущему стекловолоконному столбу с помощью U-образных болтов.

Настройка

Настройте TRX на эквивалент нагрузки, переключите выход TRX на антенну. Антенный тюнер в этом опыте не используйте. При пониженной выходной мощности начинайте вращать конденсатор до получения минимума КСВ Если достичь низкого КСВ таким способом не удается, попытайтесь несколько деформировать согласующий виток. Если КСВ не улучшается, виток необходимо или удлинить, или укоротить. Проявив немного терпения, можно в диапазонах 1,8…7 МГц достичь КСВ 1… 1,5 Достигнуты следующие значения КСВ 1,5 на 40 м, 1,2 на 80 м и 1,1 на 160 м.

Результаты

Настройка антенны очень «острая». В диапазоне 160 м полоса пропускания антенны составляет единицы килогерц. Диаграмма направленности (ДН) - почти круговая. На рис.8 приведены ДН в горизонтальной плоскости для различных вертикальных углов излучения.

Наилучшие результаты антенна дает в диапазоне 40 м. При мощности 50 Вт автор установил немало связей с восточным побережьем США с рапортом 59. На расстояниях до 500 км днем рапорты были 59+20…25 дБ. Антенна также очень хороша на прием, поскольку достаточно «острая» настройка уменьшает шумы и сигналы работающих рядом сильных станций Антенна работает удивительно хорошо и в диапазоне 160 м. С первых попыток была установлена связь на расстоянии свыше 500 км с рапортом 59+20 дБ. С принципиальной точки зрения, в этом диапазоне эффективность антенны гораздо ниже, чем в диапазоне 40 м (см.таблицу).

Заключительные замечания

• Антенну необходимо размещать по возможности дальше от ботьших металлических предметов, таких как ограды, металлические столбы, водосточные трубы и т.д.
• Антенну не рекомендуется размещать внутри помещений, поскольку рамка антенны при передаче излучает сильное магнитное поле, которое вредно для здоровья.
• При работе с мощностями выше 100 Вт рамка нагревается под действием большого тока.
• На самом верхнем диапазоне поляризация антенны горизонтальная.

В таблице выше приведены основные электрические параметры антенны в указанных диапазонах. Аналогичную антенну можно построить и на более высокочастотные диапазоны, соответственно уменьшая размеры рамки и емкость настроечного конденсатора.

Как известно - магнитные антенны, хотя и имеют небольшие размеры, но по эффективности приближаются к полуволновому диполю. Ключевым моментом при изготовлении таких антенн является применение материалов с низким сопротивлением, иначе эффективность ее резко падает. Особое внимание также обращается на тщательную пропайку всех элементов антенны. Так как алюминий плохо поддается пайке - его редко используют в петлевых антеннах. Чаще применяются медные трубки диаметром от 12 до 50 мм.

Несмотря на все сказанное, я изготовил магнитную петлевую антенну из полосок фольгированного стеклотекстолита. Они довольно легкие, хорошо паяются и значительно дешевле, чем медная труба. Фольга на стеклотекстолите довольно тонкая, поэтому Вы можете подумать, что она имеет более высокое сопротивление по сравнению с медной трубкой. Тем не менее надо помнить о "поверхностном эффекте", который проявляется на высоких частотах. Поэтому тонкая фольга не проигрывает по сравнению с толстой медной трубкой. Толщина проводника не имеет значения на высоких частотах. Например, для меди, при частоте сигнала 10 МГц глубина проявления "поверхностного эффекта" всего 21 микрон, а с увеличением частоты она уменьшается обратно-пропорционально корню квадратному из частоты. Здесь главное площадь и поэтому большая поверхность фольги может быть даже эффективнее медной трубки!

Толщина меди фольгированного стеклотекстолита около 50 микрон. Если для частоты 10 МГц достаточно 21 микрон, то антенна, изготовленная из такого материала будет хорошо работать и на более высоких частотах.

Для изготовления антенны используются полоски двухстороннего фольгированного стеклотекстолита длиной 40 см и шириной 7 см. Всего понадобится семь полос. Общая длина ленты составит около 270 см, а диаметр получившейся петли будет около 90 см. Как соединяются полосы - видно из рисунка. Каждая полоса перекрывает со смежной полосой 2 см. Все стыки плотно стягиваются двумя винтами. Обе стороны полос стеклотекстолита соединены медной фольгой, пропаянной с обеих сторон пластины. Это увеличивает полезную площадь антенны. Выводы к переменному конденсатору сделаны из медной оплетки кабеля и также тщательно припаиваются к пластинам. Простое винтовое соединение здесь недопустимо из-за низкой эффективности.
Остальная часть конструкции незначительно отличается от обычных петлевых антенн и понятна из приведенного рисунка.

Результаты экспериментов. Изготовленная петля была установлена горизонтально снаружи окна моей квартиры (1-й этаж пятиэтажного здания). От земли до петли было 3 метра, а от стены дома - 1,3 м. КСВ составил 1,5 и менее для диапазонов 10 МГц и 14 МГц. В течении нескольких месяцев после изготовления антенны я работал со станциями всей Японии, Окинавой и одной станцией из Кореи на диапазоне 10 МГц телеграфом с передатчиком мощностью 3 Вт. На диапазоне 14 МГц проводил связи с дальневосточными станциями, такими, как Корея, Китай, азиатская часть России, Тайвань и Гонконг при той-же мощности передатчика 3 Вт. Сам я живу в Chiba - восточнее Токио 30 км.