Магнитная антенна: устройство, принцип работы, назначение

Сигнал, содержащий полезную информацию, можно создать с помощью генератора. Его мощность можно увеличить с помощью усилителя и передать на значительное расстояние другому корреспонденту. Передачу сигнала осуществляет антенна.

Антенна – устройство, осуществляющее преобразование электромагнитной волны в электрический сигнал на определенной частоте в тракте приема, а также обратное преобразование в тракте передачи.

Видов антенн множество. Их можно классифицировать по конструкции или по принципу действия, например. В последнем случае выделяют электрические и магнитные антенны. Первые управляются электрической составляющей электромагнитного поля (далее ЭМП), а вторые, соответственно, магнитной.

В данной статье речь будет идти о магнитной антенне, ее конструкции, а также принципе работы.

Радиоволны

Все антенны работают с определенным диапазоном волн. Волны можно классифицировать по длине или по частоте. При этом стоит учесть, что длина пропорциональна в обратном отношении частоте.

Далее приведена таблица соответствия видов радиоволн их параметрам длины и частоты.

Часто названия волн заменяют названиями диапазонов. Например, КВ-диапазоном называется диапазон коротких волн.

Метровые, дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны входят в диапазон УКВ – ультракоротких волн. Устройства, работающие с дециметровыми волнами, называются антеннами ДМВ-диапазона (далее – по аналогии).

Применение

Вид антенн, реагирующих на магнитную составляющую поля, нашел широкое применение в любых видах промышленности из-за небольших габаритов и приемно-передающих свойств. Их конструкция чаще всего действительно очень проста и представляет собой антенну-штырь (часто используется как антенна для авто), имеющую небольшие размеры по сравнению, например, с логарифмическими антеннами. Последний вид антенн часто встречается в жилых домах, где они обеспечивают телевизионное вещание.

Главное достоинство магнитных антенн – невосприимчивость к электрическим помехам. Последний факт позволяет применять их в любых городах, где есть высокая концентрация электрических сигналов.

Конструкция

Простейшая магнитная антенна в своем составе имеет:

• сердечник;
• катушку индуктивности;
• каркас катушки.

На сердечник надевается каркас, а на каркас наматывается катушка индуктивности.

Сердечник такой антенны изготавливается из магнитного материала. Чаще всего из феррита, обладающего хорошими магнитными свойствами, о которых будет рассказано далее.

Обмотка выполняется из проводящего материала вроде меди, а каркас, наоборот, изготавливается из изоляционного материала, чтобы исключить ненужные контакты витков катушки и сердечника.

На самом деле получается, что магнитная антенна – типичный дроссель, знакомый каждому радиолюбителю или человеку, имеющему даже косвенное отношение к электронике.

Теория поля

Чтобы разобраться с принципом действия такой антенны, следует повторить базовую информацию обо всем, что связано с передачей сигналов на расстоянии.

Во-первых, электромагнитное поле, как следует из названия, включает в себя две составляющие – магнитную и электрическую, которые неразрывно связаны между собой, а плоскости этих полей (если рассуждать, опуская терминологические подробности) перпендикулярны друг другу.

Во-вторых, направление распространения данного поля определяется вектором скорости, который перпендикулярен как вектору электрической напряженности (индукции), так и вектору магнитной напряженности (индукции) в трехмерном пространстве.

Почему вектор напряженности можно заменить вектором индукции? Потому что величины этих параметров в равной степени характеризуют поле того или иного вида и пропорциональны друг другу.

Принцип действия Г-образной антенны

Колебания (именно их передает антенна) излучает любой предмет: и деревянная палка, и металлическая проволока. Разница лишь в том, что металл лучше проводит электричество, поэтому колебания, излучаемые проволокой, заметнее.

Поэтому простейшую антенну можно собрать из отрезка арматуры. Получится знакомая всем Г-образная антенна. Под действием электромагнитного поля в арматуре наводится электродвижущая сила, которая и является в некотором роде (опуская теоретические подробности) причиной возникновения колебаний, а также базой для усиления сигнала.

Металл – материал с хорошими электрическими свойствами. Именно поэтому в арматуре наводится электродвижущая сила (ЭДС). Следовательно, управляется Г-образная антенна электрической составляющей поля.

Принцип действия антенны, реагирующей на магнитное поле

Логично, если Г-образная антенна из металла реагирует на электрическую составляющую поля, то магнитная антенна реагирует на магнитную составляющую электромагнитного поля. Из-за этого факта устройство и получило название.

Антенну, конечно, можно сделать из продольного куска ферромагнетика, но эффективнее придать этому материалу форму рамки.

В такой конструкции магнитное поле также будет создавать ЭДС, но переменную. Антенна превратится в катушку индуктивности, в которой производится преобразование энергии ЭМП в электрическую энергию (в этом и заключается основная задача антенны).

Величина наводимой ЭДС в рамке зависит от того, в каком положении находится конструкция относительно плоскости поля. ЭДС максимальна, если плоскость витков конструкции направлена на станцию, работающую с сигналом. Если поворачивать антенну вокруг вертикальной оси (вид сверху), то за один оборот в ней возникнет два максимума и два минимума (нулевых значения) ЭДС.

Диаграмма направленности такой антенны будет иметь форму бесконечности или восьмерки.

Диаграмма направленности представляет собой графическое изображение зависимости коэффициента усиления от направления антенны в определенной плоскости.

Коэффициент усиления – это величина, вычисляемая как отношение значения выходного сигнала к значению входного сигнала. Например, отношение выходной мощности ко входной мощности или выходного напряжения ко входному.

Коэффициент направленного действия характеризует способность антенны направлять сигнал в определенную точку. Например, у антенны штыря, использующейся как антенна для авто, данный коэффициент находится на низком уровне. Она излучает волну в форме тора во все стороны. Зато у направленных антенн вроде логопериодической или зеркальной данный коэффициент намного выше.

У антенны в форме рамки тоже неплохой коэффициент направленного действия. Это свойство позволяет использовать подобные устройства в специальной технике вроде аппаратуры для охоты на лис.

Особенности конструкции

Величину наводимой ЭДС по большей части определяют размеры антенны. Даже если число витков, намотанных на нее, значительное, то при небольших габаритах величина ЭДС все равно будет недостаточной для работы определенных приемников.

Зато если ввести внутрь магнитных антенн ферритовые сердечники, величина ЭДС значительно увеличится. Сердечник будет способствовать замыканию на себе большего числа линий поля, то есть благодаря сердечнику поле будет концентрироваться на антенне, создавая более мощный магнитный поток и генерируя значительную по величине ЭДС.

Сердечник из магнитного материала

Чтобы понять, сердечник из какого магнитного материала следует устанавливать в антенну, нужно изучить параметр магнитной проницаемости, который показывает, во сколько раз магнитное поле в конкретном материале сильнее внешнего поля.

Чем выше показатель магнитной проницаемости, тем лучше концентрирует на себе поле данный магнитный материал.

Сердечник приемной магнитной антенны обычно имеет прямоугольное или круглое сечение. Во-первых, из-за простоты производства. Во-вторых, из-за того что сердечники такой формы лучше концентрируют на себе магнитные линии.

Последний факт влияет на такой параметр, как эффективная магнитная проницаемость. Она может не совпадать с начальной магнитной проницаемостью, которая обычно указывается в документации к сердечнику. Тем не менее эффективная магнитная проницаемость зависит от начальной.

Таким образом, эффективная проницаемость сердечника зависит от следующих показателей:

• габариты сердечника;
• форма сердечника;
• начальная магнитная проницаемость материала, из которого выполнен данный сердечник.

Например, если рассмотреть сердечники с одинаковой площадью сечения, но разной длины, то у образца, имеющего большую длину, будет большее значение эффективной проницаемости.

Кстати, зависимость эффективной проницаемости от длины сердечника из феррита, например, имеет нелинейный характер. До какого-то значения длины сердечника проницаемость растет для большинства марок феррита, но затем часть из них уходит в насыщение и рост прекращается. Например, изделия с маркировками 1000НН, 600НН и 400НН достаточно долго не уходят в насыщение, в отличие от 100НН и 50ВЧ. Это важно учитывать при создании самодельной антенны.

Эффективность антенн

Эффективность приемной антенны, реагирующей на магнитное поле, напрямую связана с действующей высотой. Это высота расположения точки, из которой выходит излучаемое антенной колебание, над определенной точкой земной поверхности.

Действующая высота влияет на ЭДС, создаваемую в антенне. Соответственно, чем выше ее значение, тем больше ЭДС, тем более слабые сигналы способна принимать антенна.

От чего зависит действующая высота антенны, реагирующей на магнитную составляющую ЭМП?

1. От эффективной проницаемости.
2. Площади сечения сердечника.
3. Числа витков катушки.
4. Длины обмотки, составляющей саму катушку.
5. Диаметра обмотки.
6. Рабочей длины волны.

Действующая высота антенны будет тем выше, чем больше первые четыре параметра вышеприведенного списка, а также меньше разница диаметров сердечника антенны и провода обмотки. Чем меньше длина волны, тем высота также больше.

Катушка антенны

Из тех данных, что приведены выше, можно сделать вывод о важности влияния катушки индуктивности на приемно-передающие свойства любой антенны (например, магнитной антенны КВ-диапазона), реагирующей на магнитное поле.

Чем выше качество катушки индуктивности, тем лучше работает антенна. Качественный параметр катушки оценивается с помощью ее добротности. Добротность – это параметр, вычисляемый как отношение сопротивления катушки переменному току к сопротивлению индуктивного элемента постоянному току.

Сопротивление катушки переменному току зависит как от индуктивности самой катушки, так и от частоты тока. Чтобы увеличить добротность катушки, а вместе с ней и приемно-передающие свойства антенны, реагирующей на магнитное поле, можно изменить ее сопротивление постоянному току. Например, увеличить диаметр получаемых витков катушки или самого провода, из которого она наматывается.

Антенна для ФМ-волн

Это одна из разновидностей антенн, реагирующих на магнитное поле. ФМ-волна – это сигнал на частоте от 88 до 108 МГц.

Чтобы изготовить такую конструкцию, понадобится:

• крепеж, на который будет устанавливаться антенна (например, труба);
• ферритовый сердечник, который можно надеть на конструкцию (на трубу);
• медный провод для обмотки и контактов;
• соединительные контакты для подключения антенны к приемному устройству;
• медная фольга.

Прежде чем наматывать катушку, необходимо изолировать ее от сердечника с помощью изоленты или бумаги, намотанной на феррит. Затем на изоляцию кладется слой фольги. Он перекрывает виток в 1 см и изолируется на участке перекрытия при помощи той же изоленты, например. Так создается экран ФМ-антенны, на который далее наматывается 25 витков, формирующих катушку, с выводами на 7, 12 и 25-м витках.

Сверху обмотка перекрывается аналогичным экраном из фольги. Экраны – внешний и внутренний – соединяются между собой.

Концы провода обмотки следует оформить в соединительные контакты. Выводы с 12-го и 25-го витков нужно подключить к приемнику, а с 7-го витка – на землю.

Антенна рамочного типа

С помощью коаксиального кабеля и нескольких дополнительных приспособлений можно изготовить данную антенну, которая может работать с различными диапазонами частот. Все зависит от габаритов конструкции. На базе этого устройства можно создать и антенну ДМВ-диапазона.

С ее помощью можно передать сигнал на расстояние до 80 м, а к ее достоинствам можно отнести простоту изготовления и установки, а также высокую стабильность передачи сигнала.

Какие материалы для создания рамочной антенны понадобятся?

1. Коаксиальный кабель.
2. Деревянные бруски.
3. Конденсатор, емкость которого - 100 пФ.
4. Коаксиальный разъем.

Чтобы антенна работала стабильно, необходимо обеспечить стабильность работы конденсатора, то есть изолировать его от механических, погодных и других воздействий.

Антенна представляет собой петлю из кабеля, подключенного к конденсатору. Она может работать со многими частотными диапазонами. Например, с КВ-диапазоном. Чем больше площадь петли (лучше, если она будет круглой формы), тем больше охват принимаемого сигнала.

Конструкция крепится на деревянную стойку, изготовленную из брусков. Как подключить антенну? С помощью коаксиального разъема, соединяемого с выводным проводом.

Также в схему иногда включают согласующий трансформатор.

GSM-стандарт

На основе антенны, реагирующей на магнитные волны, создают устройства для приема сигнала GSM-стандарта, который используется в мобильной связи.

Многие радиолюбители самостоятельно собирают магнитные GSM-антенны и устанавливают их там, где сотовый сигнал плохо принимается. Например, на дачах.

Антенну для работы с GSM-стандартом связи можно изготовить из пластиковой водопроводной трубы, одностороннего фольгированного стеклотекстолита (толщина - 1,5-2 мм, ширина - 10 мм) и медной проволоки (диаметр - 1,5-2,5 мм).

Формат антенны – логопериодический. Такая самодельная антенна обладает высоким коэффициентом усиления и узкой диаграммой направленности.

Далее необходимо соединить вибраторы антенны (нарезанная проволока) с собирательными линиями (две полоски стеклотекстолита). К каждой собирательной линии необходимо припаять вибраторы, а затем соединить линии между собой с помощью коаксиального кабеля. Фиксация линий производится на пластиковой трубе.

Как подключить антенну такого типа? Вывод кабеля можно подключать к нагрузке в виде ТВ-устройства.

Вывод

Таким образом, собрать собственную антенну, реагирующую на магнитную составляющую ЭМП, совсем не сложно. Достаточно следовать всем рекомендациям, что описаны выше и учитывать электромагнитные особенности различных материалов.

Более того, для создания такой конструкции не нужны никакие специальные знания. Достаточно базовой информации о физических процессах, протекающих в различных элементах, вроде катушки индуктивности.