Магнитная антенна: МАГНИТНАЯ АНТЕННА • Большая российская энциклопедия

Магнитные антенны широко применяются в промышленных и любительских радиоприемниках. Объясняется это тем, что они имеют небольшие размеры и хорошо выраженные направленные свойства. Кроме того, они малочувствительны к электрическим помехам, что особенно ценно в условиях больших городов, где уровень таких помех велик.

Основными элементами магнитной антенны, обозначаемой на схемах буквами MA, являются (рис. 1): катушка индуктивности 1, намотанная на каркасе 2 из изоляционного материала, и сердечник 3 из высокочастотного ферромагнитного материала с большой магнитной проницаемостью.

Каков принцип действия магнитной антенны?

Радиоволны, излучаемые антенной радиостанции, представляют собой периодически изменяющееся электромагнитное поле, в котором неразрывно связаны электрическое и магнитное поля. Эти поля — составляющие радиоволн. Назначение антенны состоит в том, чтобы преобразовать энергию электромагнитного поля (радиоволн) в электрические колебания, которые можно усилить приемником.

Знакомая всем Г-образная антенна, представляющая собой отрезок провода, является электрической антенной, так как она реагирует на электрическую составляющую поля. Под действием электромагнитного поля в такой антенне возникает электродвигающая сила (э. д. с), которую можно непосредственно использовать в приемнике для усиления и преобразования в звуковые колебания. В отличие от электрической, магнитная антенна реагирует на магнитную составляющую поля радиоволн, поэтому ее и именуют магнитной антенной.

Простейшей магнитной антенной является рамочная антенна (рис. 2), состоящая из одного или нескольких витков провода, имеющих форму рамки. Магнитное поле, пронизывающее плоскость такой антенны, индуцирует в ней электрические колебания — переменную э. д.

Величина э. д. с, наведенной полем в рамочной антенне, зависит от положения ее в пространстве. Она максимальна тогда, когда плоскость витков антенны направлена на радиостанцию. Если рамку поворачивают вокруг вертикальной оси, то за один оборот э. д. с. дважды достигнет наибольшей величины и дважды уменьшится до нуля. На рис. 2 это свойство магнитной антенны показано диаграммой направленности, имеющей вид восьмерки.

Направленные свойства магнитной антенны широко используются в специальных приемниках, например в аппаратуре для «охоты на лис».

Однако, если размеры рамочной антенны небольшие, то даже при значительном числе витков э. д. с, возникающая в ней под действием поля, очень мала и недостаточна для нормальной работы приемника.

При введении внутрь витков рамочной антенны ферромагнитного сердечника (например, ферритового), э. д. с. резко увеличивается. Происходит это потому, что сердечник концентрирует силовые линии поля и рамка пронизывается теперь магнитным потоком большей плотности, чем до введения в нее сердечника. Величина, показывающая, во сколько раз магнитное поле в сердечнике превышает величину внешнего поля, носит название магнитной проницаемости сердечника. Чем ока больше, тем лучше приемные свойства антенны, то есть больше наводимая в ней э. д. с.

Магнитная проницаемость — важнейшая характеристика магнитного материала. У ферритов числовое значение магнитной проницаемости входит в условное обозначение их марок, например, 600НН, 400НН и т. д. Но это так называемая начальная магнитная проницаемость ?_н. Ее измеряют на сердечниках тороидальной формы. Сердечник же магнитной антенны обычно представляет собой прямой стержень круглого или прямоугольного сечения. Магнитные свойства таких сердечников оценивают величиной эффективной магнитной проницаемости ?

Эффективность приемных антенн принято оценивать величиной действующей высоты h_д. Чем она больше, тем больше э. д. с., наведенная электромагнитным полем в антенне, тем более слабые сигналы можно принять. Этот параметр магнитной антенны зависит от ?_эф сердечника, площади его сечения S, числа витков n катушки, ее длины

Качество катушки индуктивности оценивают ее добротностью — числом, показывающим, во сколько раз индуктивное сопротивление катушки переменному току больше сопротивления ее постоянному току. Сопротивление катушки переменному току, как известно, зависит от ее индуктивности L и частоты тока, протекающего через нее. Чем больше L катушки и рабочая частота тока, тем больше ее сопротивление переменному току. Таким образом, если задана частота тока и индуктивность, то добротность катушки молено увеличить путем уменьшения ее сопротивления постоянному току. Сделать это можно различными конструктивными способами (например, наматывать катушку так, чтобы получить нужную индуктивность при меньшей длине провода, увеличивать диаметр катушки и провода), но наибольший эффект дает введение в катушку ферромагнитного сердечника. Поскольку при этом индуктивность увеличивается в несколько раз, оказывается возможным уменьшить число витков катушки, а следовательно и ее сопротивление постоянному току.

Однако на добротность катушки магнитной антенны значительно больше влияют потери в сердечнике, чем потери в ее проводе. Поэтому, выбирая марку феррита для сердечника, надо учитывать, что с увеличением частоты потери в разных ферритах растут неодинаково (рис. 5). В феррите марки 2000НН, например, потери увеличиваются уже на частотах 100—150 кгц7 а в феррите марки 100НН — на частотах в несколько мегагерц. Практически считается, что для антенн ДВ и СВ диапазонов наиболее целесообразно применять ферриты с начальной магнитной проницаемостью от 400 до 1000, для антенн KB диапазона — от 50 до 150.

Как видно из рис. 3, при увеличении длины сердечника l_С (при неизменном d) ?_эф увеличивается, поэтому всегда следует стремиться к тому, чтобы отношение l_c/d было мaксимально возможным. Обычно длина сердечника ограничивается размерами корпуса приемника и отношение l/d не превышает 20—25.

Форма поперечного сечения сердечника влияет на свойства магнитной антенны гораздо меньше. Ее обычно выбирают из чисто конструктивных соображений. Так, в целях наилучшего использования объема в малогабаритных транзисторных приемниках применяют сердечники прямоугольного сечения, свойства которых равнозначны свойствам круглых сердечников с такой же площадью поперечного сечения.

В транзисторных приемниках обычно применяют настраиваемые магнитные антенны, используя их катушки в качестве катушек индуктивности входных контуров (L_аC на рис. 6). В результате этого во входной контур вносятся дополнительные потери и его добротность становится меньше добротности антенной катушки. В этом случае приемные свойства магнитной антенны, оценивают величиной приведенной (эффективной) действующей высоты. Она равна произведению добротности входного контура на рабочей частоте на действующую высоту магнитной антенны до подключения ее к приемнику. Дополнительные потери вносит и переключатель диапазонов, а также соединительные провода. Чем провода короче и качественнее контакты переключателя, тем потери в них меньше.

Индуктивность

Добротность катушки при смещении ее на край сердечника уменьшается более чем на 30%.

На индуктивность и добротность катушки влияют также длина а катушки и ее диаметр d_K (рис. 4). Увеличение длины намотки катушки (а) при неизменном числе витков приводит к уменьшению ее индуктивности и добротности. Оптимальная длина намотки катушки соответствует 0,15—0,3l. Увеличение длины намотки до 0,6—0,7l ведет к некоторому увеличению действующей высоты (примерно на 20—30%), но при этом потери в сердечнике увеличиваются и добротность катушки падает.

При увеличении диаметра d_K катушки ее добротность увеличивается и достигает максимальной величины, когда ее диаметр превышает диаметр сердечника примерно в 1,3 раза. Однако действующая высота антенны при этом уменьшается. Поэтому на практике приходится искать компромиссные решения: применять тонкостенные каркасы и однослойные катушки.

Наматывать катушку непосредственно на ферритовом сердечнике не следует, так как при этом увеличивается собственная емкость катушки из-за влияния диэлектрической постоянной сердечника. Вид намотки выбирают, исходя из диапазона рабочих частот, числа витков и диаметра провода катушки и размеров сердечника. Наилучшие результаты с точки зрения приемных свойств антенны получаются при однослойной намотке катушки с принудительным шагом. При шаге намотки, равном 1,5—2 мм, марка провода практически не влияет на добротность катушки. Однако такой вид намотки приемлем только при малом числе витков, например, для катушек KB антенн.

На практике чаще применяют сплошную рядовую намотку, хотя в этом случае марка провода оказывает очень большое влияние на добротность. Для катушек диапазона СВ целесообразно применять литцендрат (например, ЛЭШО 9×0,07), который позволяет увеличить добротность катушки в 1,5—2 раза по сравнению с проводом ПЭВ-1 или ПЭВ-2.

Каркасы катушек СВ и ДВ диапазонов можно склеить из прессшпана или кабельной бумаги. Толщина стенок каркасов не должна превышать 0,4—0,6 мм. Для каркасов катушек KB диапазона лучше использовать высококачественные диэлектрики, такие, как полистирольная пленка (стирофлекс).

Иногда катушку магнитной антенны разбивают на две неравные секции; основную и подстроечную. Каждую из них наматывают на отдельном каркасе. В этом случае изменять индуктивность катушки можно перемещением только подстроечной секции (с меньшим числом витков), не трогая основную, которая может находиться на середине сердечника. Такой способ регулирования индуктивности позволяет сохранить высокую эффективность магнитной антенны.

Часто магнитные антенны делают двухдиапазонными, размещая их катушки по обе стороны от середины сердечника (рис- 7). Для такой антенны большое значение имеет способ коммутации катушек. Обычно во время приема станций ДВ диапазона обе катушки антенны включают последовательно. При переходе же на СВ диапазон нерабочую катушку необходимо включать параллельно рабочей либо замыкать накоротко (рис. 8). Оставлять ее незамкнутой нельзя, так как это приводит к уменьшению добротности рабочей катушки на 10—15%. Замкнутая накоротко катушка незначительно (на 7—10%) уменьшает индуктивность рабочей катушки и практически не влияет на ее добротность.

При использовании магнитной антенны в ламповом приемнике входной контур, состоящий из катушки магнитной антенны и конденсатора настройки, может быть подключен ко входу приемника полностью. Это объясняется тем, что входное сопротивление каскада на полевом транзисторе или электронной лампе составляет мегаомы, а сопротивление контура на резонансной частоте — сотни килоом. В этом случае входное сопротивление лампы практически не шунтирует контур и его добротность остается достаточно высокой.

Другое дело, когда магнитная антенна используется в транзисторном приемнике. Входное сопротивление транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, не превышает сотен ом. Если вход такого усилителя подключить ко всему контуру, то в результате сильного шунтирующего действия входного сопротивления транзистора добротность контура станет низкой, и его приемные свойства резко ухудшатся. Чтобы этого не случилось, вход транзисторного усилителя подключают не ко всему контуру, а к небольшой части его. Делают это чаще всего так: рядом с катушкой магнитной антенны помещают катушку связи L_св, намотанную на отдельном каркасе и подключают ее ко входу усилителя (рис. 6 и 8). Число витков катушки L_св должно быть небольшим и составлять 5—10% от числа витков антенной катушки. При такой связи магнитной антенны с транзистором первого каскада приемника напряжение, снимаемое с контура, уменьшается в 10—20 раз, а шунтирующее действие транзистора ослабляется в 100—400 раз, что позволяет сохранить хорошие приемные свойства магнитной антенны— добротность и действующую высоту.

В том случае, когда для магнитной антенны используется стержень из феррита 600НН или 400НН диаметром 8 и длиной 140—160 мм, а для настройки приемника конденсатор с максимальной емкостью 380 пф, катушка СВ диапазона должна содержать 50—60 витков провода ПЭЛШО 0,1—0,15 или литцендрата ЛЭШО 7×0,07, намотанного в один слой, а катушка связи — 5—7 витков провода ПЭЛШО 0,1— 0,15. Катушка ДВ диапазона должна иметь 180—200 витков провода ПЭЛШО 0,1, причем для уменьшения собственной емкости ее желательно наматывать внавал 4—5 секциями. Катушка связи в этом случае состоит из 10—15 витков такого же провода. Если провода марки ПЭЛШО нет, катушки магнитной антенны можно намотать проводом в эмалевой изоляции, например, марки ПЭВ-1 Или ПЭВ-2, однако собственная ёмкость катушек при этом несколько возрастет.

Если длина стержня 90—100 мм, то число витков катушки надо увеличить на 20—30%. На практике обычно поступают так: наматывают заведомо большее число витков, а при настройке их отматывают до тех пор, пока не будет получен необходимый диапазон частот.

При размещении магнитной антенны в корпусе приемника необходимо учитывать, что расположенные поблизости от нее стальные детали могут очень сильно влиять на добротность антенной катушки. Так, расположенный рядом с ней, или напротив торца сердечника стальной корпус громкоговорителя уменьшает добротность катушки в 7—12 раз! Об этом надо всегда помнить и не располагать никаких стальных деталей ближе 25—30 мм от катушки и сердечника. В крайнем случае, лучше уменьшить длину сердечника, чем терять в добротности катушки.

И, наконец, что тоже надо помнить: не следует применять для крепления сердечника металлические держатели, создающие короткозамкнутые витки вокруг сердечника.

В.Фролов