Дачная антенна представляет собой наклонный луч длиной около 12 м с гайкой на конце (рис. 7), заброшенный на соседнюю березу. На этот луч громко принимаются радиостанции «Маяк» на частоте 549 кГц и тише — «Радио Подмосковья» (846 кГц). Противовесом служит домашняя сеть водяного отопления.

Сам приемник описан неоднократно, например в [3]. Замысел эксперимента был прост - повесить еще один луч с емкостной связью со стволом дерева и сравнить их работу, в качествеконденсаторасвязи вокруг ствола намотать десяток витков мягкого алюминиевого провода от трансформатора питания лампового телевизора. Один конец провода был закреплен на окне. Из-за погодных условий не удалось поднять провод на самый верх, пришлось обернуть его вокруг ствола несколько ниже. Катушка с проводом выпала из рук и размотался до земли. Было принято решение испытать получившуюся антенну, ведь уже готова верхняя половина большой рамки с размерами около 10x10 м! Остаток провода был проведен прямо по земле (точнее, по снегу) к окну.

Рамка принимала немного слабее, чем луч с противовесом, что и понятно, поскольку ее верхняя точка была ниже. Еще раз подтвердилась эквивалентность электрических и магнитных антенн, о которой автор писал уже давно. Но самым интересным оказался другой эффект. При обычном приеме на луч, как показано на рис. 7, настройка рамки в резонанс значительно улучшала прием. Напряжение на выходе детектора возрастало на 20...30 % (с 5 до 6,5...7 В) а ток в усилителе, питаемый принятой энергией — в полтора раза (с 0,1 до 0,15 мА).

Подключать рамку куда-либо или заземлять не нужно — это только ухудшает прием. Повезло также и в том отношении, что радиостанция «Маяк» вещает с мощностью 75 кВт на частоте 549 кГц из п. Чкаловский, находящегося в 28 км к северу от места расположения приемника, а луч и рамка направлены от окна примерно на юг. Аналогичный эффект получен и при настройке на другую, хорошо слышимую станцию на частоте 846 кГц (ее мощность и расположение автору неизвестны).

Простейшее объяснение эффекта таково — перед рамочной антенной ее собственное электрическое поле синфазно с приходящим и усиливает его [2]. Как раз здесь и расположена вертикальная часть лучевой антенны. Таким образом, эксперименты привели к созданию «нового», а на самом деле «хорошо забытого старого» типа малой антенны, использующей энергию как электрической (луч), так и магнитной (рамка) компонент приходящего поля. Перекачка энергии из рамки в луч происходит также через поле — ведь луч проходит невысоко, около 1...1.5 м над верхней стороной рамки. Заметим, что при строгой симметрии антенн (рис. 6) электромагнитной связи между ними нет. При смещении же рамки в сторону от вертикальной части луча (рис. 7) появляется емкостная связь луча с верхней стороной рамки и индуктивная связь, поскольку часть магнитного поля снижения проходит сквозь рамку.

Необходимый фазовый сдвиг 90° получается естественным образом, как в двух связанных и настроенных на одну и ту же частоту колебательных контурах. Заметим, что объем, занимаемый в пространстве комбинированной рамочно-лучевой (РЛ) антенной, не больше, чем у луча или рамки, а КПД выше. Возможно, у нее больше прав называться Crossed Fields (CFA) или EH антенной, чем у малогабаритных конструкций из двух цилиндров или двух рамок.

Последующее компьютерное модели­рование РЛ антенны с помощью программы MMANA полностью подтвердило эксперимент. Компьютерная модель РЛ антенны показана на рис. 8.

Длины вертикальной и наклонной части луча были выбраны по 10 м, размер рамки 8x8 м. Для настройки на среднюю частоту СВ диапазона 1 МГц потребовалась индуктивность L1 около 300 мкГн и емкость С1 около 450 пФ. Потери в катушке учитывались подбором ее добротности Q в диапазоне 30...50, потери в рамке — выбором материала и диаметра ее провода (А1 0 0,8 мм), потери в заземлении и окружающих предметах — резистором R1 (50...200 ом). При точной настройке луча и рамки в резонанс получается близкая к кардиоидной ДН с отношением излучения вперед/назад (F/B) до 6...8 дБ. Если точку питания перенести из луча в рамку, направление излучения изменяется на противоположное, а входное сопротивление уменьшается в несколько раз при сохранении прочих особенностей.

Особенно интересно ведет себя входное сопротивление антенны в области резонанса. Активная часть значительно возрастает, в некоторых случаях в 5... 10 раз. Реактивная часть обращается в нуль трижды — на центральной частоте и при расстройках на ± 10...20 кГц. Частотные характерис­тики входного импеданса приобретают вид, типичный для двухконтурного полосового фильтра, теория которого хорошо изложена в учебниках электро- и радиотехники, при этом полоса антенны расширяется.

Несколько слов о соотношении потерь в луче и рамке. Они должны быть примерно одинаковыми. Если взять «хороший» луч с малыми потерями (например R1 = 0, Q = 300), настройка рамки в резонанс приведет к ухудшению его работы из-за потерь в рамке. В противоположном случае «плохого» луча (R1 > 200 Ом, Q < 30) «хорошая» рамка улучшит его работу, что скажется на модели в существенном увеличении выигрыша всей антенны, но ДН станет такой же, как у рамки, т. е. с максимумом в зенит, что неблагоприятно для передачи или приема в направлении на горизонт. Реальный выигрыш от применения РЛ антенны представляется в преде­лах 2,5...3 дБ. Он обусловлен двумя факторами — появлением направленности и повышением КПД луча из-за роста его сопротивления излучения. Описанную концепцию можно применить и к всенаправленным антеннам. В этом случае нужно несколько (3...4) рамок, расположенных симметрично относительно заземленного вертикала (рис. 9).

Рамки можно соединить как параллельно, так и последовательно. В последнем случае они образуют тороидальную обмотку, «надетую» на вертикал. Здесь тоже нет ничего нового, поскольку давно известен способ возбуждения заземленных вертикальных мачт малой тороидальной обмоткой у основания. Отличие в том, что здесь размер тора не мал, и его поле активно участвует в излучении. Элементы настройки вертикала (индуктивность) и тора (емкость) не показаны — они такие же, как и в предыдущем случае. Эту антенну можно назвать тороидально-емкостной (ТЕ). Она может быть полезна для уменьшения потерь в недостаточно хорошей заземляющей структуре вертикала за счет роста его сопротивления излучения при настройке тора в резонанс.

Известно, что для уменьшения потерь в заземлении вокруг основания вертикала закапывают до 120 радиальных проводов. Возможно, что аналогичного увеличения КПД удастся достичь значительно более дешевым способом, развесив 3...4 рамки на растяжках вертикала. ТЕ антенна нуждается в дальнейших исследованиях.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Hately М., Kabbary F. Radio Antennas. US Patent # 5 155 495.

2. В. Поляков. О ближнем поле приемной антенны. — Схемотехника, 2006, № 3, с. 35—37 и № 4, с. 38—40.

3. В. Т. Поляков. Техника радиоприема. Простые приемники AM сигналов. — М.: ДМК Пресс, 2001.

Владимир Поляков, RA3AAE

Полностью статью читайте здесь.