Магнітна антена: пристрій, принцип роботи, призначення

Сигнал, що містить корисну інформацію, можна створити за допомогою генератора. Його потужність можна збільшити з допомогою підсилювача та передати на значну відстань іншому кореспонденту. Передачу сигналу здійснює антена. Антена – пристрій, що здійснює перетворення електромагнітної хвилі в електричний сигнал на певній частоті в тракті прийому, а також зворотне перетворення в тракті передачі. Видів антен безліч. Їх можна класифікувати по конструкції або за принципом дії, наприклад. В останньому випадку виділяють електричні і магнітні антени. Перші керуються електричної складової електромагнітного поля (далі-ЕМП), а другі, відповідно, магнітній. У даній статті мова буде йти про магнітної антени, її конструкції, а також принципі роботи.

Радіохвилі

Всі антени працюють з певним діапазоном хвиль. Хвилі можна класифікувати по довжині або по частоті. При цьому варто врахувати, що довжина пропорційна в зворотному відношенні частоті. Далі наведена таблиця відповідності видів радіохвиль їх параметрами довжини і частоти.

Вид хвиль



Довжина хвиль, м



Частота



Наддовгі



10 5 -10 4



3-30 КГц



Довгі



10 4 -10 3



30-300 КГц



Середні



10 3 -10 2



300 КГц – 3 МГц



Короткі



100-10



3-30 МГц



Метрові



10-1



30-300 МГц



Дециметрові



1-01



300 МГц – 3 ГГц



Сантиметрові



01-001



3-30 ГГц



Міліметрові



001-0001



30-300 ГГц

Часто назви хвиль замінюють назвами діапазонів. Наприклад, КВ-називається діапазоном діапазон коротких хвиль. Метрові, дециметрові, сантиметрові і міліметрові хвилі входять в діапазон УКХ – ультракоротких хвиль. Пристрої, що працюють з дециметровими хвилями, називаються антенами ДМВ діапазону (далі – за аналогією).

Застосування

Вид антен, реагуючих на магнітну складову поля, знайшов широке застосування в будь-яких видах промисловості із-за невеликих габаритів і приймально-передавальних властивостей. Їх конструкція найчастіше дійсно дуже проста і являє собою антену-штир (часто використовується як антена для авто), має невеликі розміри порівняно, наприклад, з логарифмічними антенами. Останній вид антен часто зустрічається в житлових будинках, де вони забезпечують телевізійне мовлення.

Головне достоїнство магнітних антен – несприйнятливість до електричних перешкод. Останній факт дозволяє застосовувати їх у будь-яких містах, де є висока концентрація електричних сигналів.

Конструкція

Найпростіша магнітна антена у своєму складі має: сердечник; котушку індуктивності; каркас котушки. На сердечник надівається каркас, а на каркас намотується котушка індуктивності. Сердечник такої антени виготовляється з магнітного матеріалу. Найчастіше з фериту, що володіє хорошими магнітними властивостями, про які буде розказано далі. Обмотка виконується з провідного матеріалу начебто міді, а каркас, навпаки, виготовляється з ізоляційного матеріалу, щоб виключити непотрібні контакти витків котушки і сердечника. Насправді виходить, що магнітна антена – типовий дросель, знайомий кожному радіоаматорові або людині, яка має навіть непряме відношення до електроніки.

Теорія поля

Щоб розібратися з принципом дії такої антени, слід повторити базову інформацію про все, що пов'язано з передачею сигналів на відстані. По-перше, електромагнітне поле, як випливає з назви, включає в себе дві складові – магнітну і електричну, які нерозривно пов'язані між собою, а площини цих полів (якщо міркувати, опускаючи термінологічні подробиці) перпендикулярні один одному.

По-друге, напрям поширення цього поля визначається вектором швидкості, який перпендикулярний як вектора електричної напруженості (індукції), так і вектора магнітної напруженості (індукції) в тривимірному просторі. Чому вектор напруженості можна замінити вектором індукції? Тому що величини цих параметрів в рівній мірі характеризують поле того чи іншого виду і пропорційні один одному.

Принцип дії Г-подібної антени

Коливання (саме їх передає антена випромінює будь-який предмет: і дерев'яна палиця, та металевий дріт. Різниця лише в тому, що метал краще проводить електрику, тому коливання, що випромінюються дротом, помітніше. Тому просту антену можна зібрати з відрізка арматури. Вийде знайома всім Г-подібна антена. Під дією електромагнітного поля в арматурі наводиться електрорушійна сила, яка і є в деякому роді (опускаючи теоретичні подробиці) причиною виникнення коливань, а також базою для посилення сигналу. Метал – матеріал з гарними електричними властивостями. Саме тому в арматурі наводиться електрорушійна сила (ЕРС). Отже, управляється Г-подібна антена електричної складової поля.

Принцип дії антени, що реагує на магнітне поле

Логічно, якщо Г-подібна антена з металу реагує на електричну складову поля, то магнітна антена реагує на магнітну складову електромагнітного поля. З цього факту пристрій і отримало назву. Антену, звичайно, можна зробити з поздовжнього шматка феромагнетика, але ефективніше надати матеріалу форму рамки. У такій конструкції магнітне поле також буде створювати ЕРС, але змінну. Антена перетвориться в котушку індуктивності, в якій здійснюється перетворення енергії ЕМП в електричну енергію (в цьому і полягає основне завдання антени). Величина наводимой ЕРС в рамці залежить від того, в якому положенні знаходиться конструкція відносно площини поля. ЕРС максимальна, якщо площина витків конструкції спрямована на станцію, що працює з сигналом. Якщо повертати антену навколо вертикальної осі (вигляд зверху), то за один оберт в ній виникне два максимуми і два мінімуми (нульові значення) ЕРС. Діаграма спрямованості такої антени буде мати форму нескінченності або вісімки. Діаграма спрямованості являє собою графічне зображення залежності коефіцієнта підсилення від напрямку антени в певній площині.
Коефіцієнт посилення – це величина, що обчислюється як відношення значення вихідного сигналу до значення вхідного сигналу. Наприклад, відношення вихідної потужності до вхідної потужності або вихідної напруги вхідного. Коефіцієнт направленої дії характеризує здатність антени направляти сигнал в певну точку. Наприклад, у антени штиря, що використовується як антена для авто, даний коефіцієнт знаходиться на низькому рівні. Вона випромінює хвилю у формі тора в усі сторони. Зате у спрямованих антен на зразок логопериодической або дзеркальною даний коефіцієнт набагато вище. У антени у формі рамки теж непоганий коефіцієнт спрямованого дії. Ця властивість дозволяє використовувати подібні пристрої в спеціальній техніці начебто апаратури для полювання на лисиць.

Особливості конструкції

Величину наводимой ЕРС здебільшого визначають розміри антени. Навіть якщо число витків, намотаних на неї, значна, то при невеликих габаритах величина ЕРС все одно буде недостатньою для роботи певних приймачів. Зате якщо ввести всередину магнітних антен феритові сердечники, величина ЕРС значно збільшиться. Сердечник сприятиме замикання на собі більшого числа ліній поля, тобто завдяки сердечникові поле буде концентруватися на антені, створюючи більш потужний магнітний потік і генеруючи значну по величині ЕРС.

Сердечник з магнітного матеріалу

Щоб зрозуміти, сердечник з якого магнітного матеріалу слід встановлювати антену, потрібно вивчити параметр магнітної проникності, який показує, у скільки разів магнітне поле в конкретному матеріалі сильніше зовнішнього поля.

Чим вище показник магнітної проникності, тим краще концентрує на собі поле даний магнітний матеріал. Сердечник адміністратора магнітної антени зазвичай має прямокутне або круглий перетин. По-перше, із-за простоти виробництва. По-друге, із-за того що сердечники такої форми краще концентрують на собі магнітні лінії. Останній факт впливає на такий параметр, як ефективна магнітна проникність. Вона може не збігатися з початковою магнітною проникністю, яка зазвичай вказується у документації до сердечника. Тим не менш ефективна магнітна проникність залежить від початкової. Таким чином, ефективна проникність осердя залежить від наступних показників: габарити сердечника; форма сердечника; початкова магнітна проникність матеріалу, з якого виконаний даний сердечник. Наприклад, якщо розглянути сердечники з однаковою площею перерізу, але різної довжини, то у зразка, що має велику довжину, буде більше значення ефективної проникності. До речі, залежність ефективної проникності від довжини осердя з фериту, наприклад, має нелінійний характер. До якогось значення довжини осердя проникність зростає для більшості марок фериту, але потім частина з них йде в насичення і зростання припиняється. Наприклад, вироби з маркуванням 1000НН, 600НН і 400НН досить довго не йдуть в насичення, на відміну від 100НН і 50ВЧ. Це важливо враховувати при створенні саморобної антени.

Ефективність антен

Ефективність приймальної антени, що реагує на магнітне поле, безпосередньо пов'язана з чинною заввишки. Це висота розташування точки, з якої виходить випромінюється антеною коливання, над певною точкою земної поверхні.
Діюча висота впливає на ЕРС, створювану в антені. Відповідно, чим вище його значення, тим більше ЕРС, тим більш слабкі сигнали здатна приймати антена. Від чого залежить діюча висота антени, що реагує на магнітну складову ЕМП? Від ефективної проникності. Площі перерізу сердечника. Числа витків котушки. Довжини обмотки, що становить саму котушку. Діаметр обмотки. Робочої довжини хвилі. Діюча висота антени буде тим вище, чим більше перші чотири параметри вищенаведеного списку, а також менше різниця діаметрів серцевини антени і проводу обмотки. Чим менше довжина хвилі, тим висота також більше.

Котушка антени

З тих даних, що наведені вище, можна зробити висновок про важливість впливу котушки індуктивності на приймально-передавальні властивості будь антени (наприклад, магнітної антени КВ-діапазону), що реагує на магнітне поле. Чим вище якість котушки індуктивності, тим краще працює антена. Якісний параметр котушки оцінюється з допомогою її добротності. Добротність – це параметр, обчислюваний як відношення опору котушки змінному струму до опору індуктивного елемента постійному струму. Опір котушки змінному струму залежить як від самої котушки індуктивності, так і від частоти струму. Щоб збільшити добротність котушки, а разом з нею і приймально-передавальні властивості антени, що реагує на магнітне поле, можна змінити її опір постійному струму. Наприклад, збільшити діаметр одержуваних витків котушки або самого дроту, з якого вона намотується.

Антена для ФМ-хвиль

Це одна з різновидів антен, реагуючих на магнітне поле. ФМ-хвиля – це сигнал на частоті від 88 до 108 МГц. Щоб виготовити таку конструкцію, знадобиться: кріплення, на який буде встановлюватися антена (наприклад, труба); феритовий сердечник, який можна надіти на конструкцію (на трубу); мідний дріт для обмотки і контактів; з'єднувальні контакти для підключення антени до приймального пристрою; мідна фольга. Перш ніж намотувати котушку, необхідно ізолювати її від сердечника з допомогою ізоляційної стрічки або паперу, намотаної на ферит. Потім на ізоляцію кладеться шар фольги. Він перекриває виток в 1 см і ізолюється на ділянці перекриття за допомогою тієї ж ізоляційної стрічки, наприклад. Так створюється екран ФМ-антени, на який далі намотується 25 витків, формують котушку, з висновками на 712 і 25-м витках. Зверху обмотка перекривається аналогічним екраном з фольги. Екрани – зовнішній і внутрішній – з'єднуються між собою. Кінці дроту обмотки слід оформити у з'єднувальні контакти. Висновки з 12-го і 25-го витків потрібно підключити до приймача, а з 7-го витка – на землю.

Антена рамкового типу

За допомогою коаксіального кабелю і декількох додаткових пристосувань можна виготовити дану антену, яка може працювати з різними діапазонами частот. Все залежить від габаритів конструкції. На базі цього пристрою можна створити і антену ДМВ діапазону. З її допомогою можна передати сигнал на відстань до 80 м, а до її достоїнств можна віднести простоту виготовлення і встановлення, а також високу стабільність передачі сигналу. Які матеріали для створення рамкової антени знадобляться? Коаксіальний кабель. Дерев'яні бруски. Конденсатор, ємність якого - 100 пФ. Коаксіальний роз'єм. Щоб антена працювала стабільно, необхідно забезпечити стабільність роботи конденсатора, тобто ізолювати його від механічних, кліматичних та інших впливів. Антена являє собою петлю з кабелю, підключеного до конденсатора. Вона може працювати з багатьма частотними діапазонами. Наприклад, з КВ-діапазоном. Чим більше площа петлі (краще, якщо вона буде круглої форми), тим більше охоплення сигналу. Конструкція кріпиться на дерев'яну стійку, виготовлені з брусків. Як підключити антену? З допомогою коаксіального роз'єму, з'єднується з вивідним дротом. Також в схему іноді включають узгоджувальний трансформатор.

GSM-стандарт

На основі антени, що реагує на магнітні хвилі, що створюють пристрої для прийому сигналу GSM-стандарту, який використовується у мобільному зв'язку. Багато радіоаматори самостійно збирають магнітні антени GSM і встановлюють їх там, де стільниковий сигнал погано приймається. Наприклад, на дачах. Антену для роботи з GSM-стандарту зв'язку можна виготовити з пластикової водопровідної труби, одностороннього фольгованого склотекстоліти (товщина - 15-2 мм, ширина - 10 мм) і мідного дроту (діаметр - 15-25 мм). Формат антени – логопериодический. Така саморобна антена володіє високим коефіцієнтом посилення і вузькою діаграмою спрямованості. Далі необхідно з'єднати вібратори антени (нарізана дріт) з узагальнюючими лініями (дві смужки склотекстоліти). До кожної збиральної лінії необхідно припаяти вібратори, а потім з'єднати лінії між собою за допомогою коаксіального кабелю. Фіксація ліній проводиться на пластиковій трубі. Як підключити антену такого типу? Висновок кабелю можна підключати до навантаження у вигляді ТВ-пристрої.

Висновок

Таким чином, зібрати власну антену, що реагує на магнітну складову ЕМП, зовсім не складно. Досить слідувати всім рекомендаціям, що описані вище і враховувати електромагнітні особливості різних матеріалів. Більше того, для створення такої конструкції не потрібні ніякі спеціальні знання. Досить базової інформації про фізичні процеси, що протікають в різних елементах, начебто котушки індуктивності.