Małe Pętlowe Antenny Magnetyczne

1. Wstęp

Elektrycznie małe antenny pętlowe znane są od bardzo dawna - pierwszą antenną kiedykolwiek użytą do odbioru byla zresztą antenna pętlowa.
Już w końcu XIX wieku (1887) Heinrich Hertz przeprowadził swój słynny experyment z zastosowaniem antenny pętlowej do odbioru, aczkolwiek upłynąć musiało wiele lat zanim doczekały się antenny pętlowe praktycznego zastosowania.
Okres Pierwszej Wojny Światowej cechował się szczególne powszechnym użyciem odbiorczych antenn pętlowych. Od tego czasu dość często używane były one w odbiornikach radiowych, najczęściej jako duża, wielozwojowa cewka o przypadkowych wymiarach (typowo niestrojona) a następnie jako strojone uzwojenie na pręcie z odpowiedniego materialu ferrytowego. Takie antenny są od dawna powszechnie stosowane we wszystkich radiofonicznych odbiornikach zakresów AM.

Antenny pętlowe od bardzo dawna są też używane na okrętach wojennych, a szczególnie okrętach podwodnych najcześciej jako antenny pelengacyjne i można się tylko domyślać ile statków czy okrętów znalazło się po złej stronie torpedy za przyczyną antenny pętlowej.
Tak charakterystycznie wyglądajace antenny (jak np widoczna na zdjęciu antenna na kiosku niemieckiego okrętu podwodnego U-67) nie są już na ogół spotykane i jakkolwiek praktycznie każdy współczesny okręt podwodny ma zainstalowaną na kiosku co najmniej jedną antennę magnetyczną to nie mają one już na ogół takiej charakterystycznej pętli i nie są łatwo zauważalne z uwagi na ich małe rozmiary. Obecnie jest to najczęsciej kombinacja czterech prętowych antenn ferrytowych w układzie kwadratu. Każda jest bardzo podobna do typu stosowanego w przenośnych odbiornikach radiofonicznych z tą różnicą że zawierają one wyjątkowo symetrycznie wykonane uzwojenia i są ekranowane dla pola elektrycznego. Takie antenny typowo pokrywają zakres częstotliwosci 10 do 160kHz a często nawet 3 do 300kHz. Okręty podwodne o zasięgu globalnym uzywają do odbioru w glębokim zanurzeniu antenn magnetycznych na częstotliwości nawet poniżej 100Hz. Flota rosyjska używa częstotliwosci 82Hz a amerykanska 76Hz. Więcej o tym znaleść można na znakomitym włoskim web site FALE RADIOWE ponizej 22kHz.
Znaleść tam też można bardzo dużo informacji na temat odbiorczych antenn pętlowych (w języku angielskim).

Każdy praktycznie współczesny większy okręt wojenny posiada pewną liczbę antenn pętlowych w postaci bardzo nieraz skomplikowanego systemu namierzającego najczęściej zainstalowanego na najwyższym maszcie okrętu tuż poniżej antenny taktycznego systemu nawigacyjnego dla samolotów. Z reguły jednak takie systemy są otoczone aureolą tajemnicy (głównie z uwagi na bardzo zaawansowaną technologię) i niewiele jest na ich temat publikowane. Typowo są takie systemy częścią elektronicznego uzbrojenia (Electronic Warfare) okrętu i to też nie ułatwia znalezienia informacji na ich temat.

Poza zastosowaniami militarnymi cały czas jednak są antenny pętlowe używane do odbioru niskich częstotliwości radiowych i są one z reguły ekranowane elektrostatycznie aby zminimalizowac odbiór pól elektrycznych.
Powszechnie też są antenny pętlowe używane do pomiarów składowej magnetycznej promieniowania elektromagnetycznego w zakresie 9kHz do 30MHz albo nawet 30Hz do 30MHz w ramach tzw kompatybilnosci elektromagnetycznej (zakłoceń) np dla standardów: Bellcore GR-1089 (sprzęt telekomunikacyjny - USA) i MIL-STD-461 (elektronika militarna - USA) czy EN 60945 (elektroniczne wyposażenie statkow - Europa), jak również do pomiarów skutecznosci ekranowania pomieszczen w zakresie 10kHz do 1MHz. Do pomiarów skuteczności ekranowania używane są dwie takie antenny i jedna pracuje jako antenna nadawcza ale typowo jej straty (choć dość znaczne) nie stanowią większego problemu w tym konkretnym przypadku.
Takie antenny są jednak dokładnie kalibrowane i specjalnie zaprojektowane dla maxymalnego tłumienia pola elektrycznego. Jest to osiągane przez dokładne ekranowanie elektrostatyczne i balansowanie dla pól elektrycznych a czasem nawet instalowanie dwóch dokładnie jednakowych antenn pętlowych tuż koło siebie i takie ich podłączenie za pomocą symetrycznego transformatora szerokopasmowego aby sygnały produkowane przez pola elektryczne się znosiły a sygnały produkowane przez pola magnetyczne - dodawały.
Balun jest też typowo używany do podłączenia z feederem, a czasem taka antenna posiada wbudowany zbalansowany szerokopasmowy wzmacniacz o bardzo małej impedancji wejściowej poniżej 1W (jak np bardzo droga antenna HFH2-Z2 firmy Rohde & Schwarz).

Są to jednak cały czas tylko antenny odbiorcze a ich wykorzystanie jako antenn nadawczych zawsze było bardzo utrudnione z uwagi na ogromne straty.
Przy odbiorze stosunek odbieranego sygnału do szumu jest znacznie ważniejszy niż absolutny poziom sygnału, ktory prawie zawsze może byc odpowiednio wzmocniony w odbiorniku. Współczesne odbiorniki maja z reguły spory zapas wzmocnienia aby to skompensować więc dość znaczne straty antenny pętlowej nie są problemem

Istnieją jednak sposoby na dramatyczne zmniejszenie strat w takich antennach m.in przez doprowadzanie do rezonansu jak również odpowiednią konstrukcję i dobór użytych materiałów.
Jest to podstawą sukcesu jako że w przeciwieństwie do antenny odbiorczej w przypadku antenny nadawczej najważniejsza jest absolutna moc przez antennę wypromieniowaną.
Takie właśnie antenny (nadawcze) są tematem tego artykułu.

Małe Pętlowe Antenny Magnetyczne (MPAM) znane są już od prawie 50 lat kiedy zostały wprowadzone do użycia w armii amerykańskiej w Azji.
Od dość dawna są one również używane na okrętach wojennych wielu krajów jak również jako przewoźne antenny na pojazdach wojskowych.
W ostatnich latach obserwować można wręcz explozję popularności bardzo małych MPAM w zastosowaniu do RFID (Radio Frequency Identification), czyli miniaturowych transponderów do computerowej inwentaryzacji produktów pracujących na częstotliwościach 125-148kHz i 13.56MHz (czasem 27.12MHz) i UHF (typowo 315, 433, 860-960MHz).

Krótkofalowcy próbowali używać tych antenn od bardzo dawna ale dopiero w ostatniej dekadzie obserwować można gwałtowny wzrost ich popularności.

MPAM mają dużo ciekawych zalet, ale, jak wszystko na tym świecie, mają też i wady o czym dalej.

Są to antenny generalnie dość łatwe do zbudowania aczkolwiek równie łatwo jest popełnić poważne błędy w ich konstrukcji i nie osiągnąć parametrów do ktorych są one zdolne. Błędy te są generalnie spowodowane przez brak zrozumienia ich działania.
Istnieje ogromna ilość publikacji (szczegolnie na Internecie) opisujących konstrukcję takich antenn. Istniejące rozwiązania mogą być dość dobrą inspiracją ale często ich kopiowanie nie jest w pełni możliwe albo po prostu jest niepraktyczne. Powodem może być niemożliwość zdobycia podobnych materiałów albo cześci czy też niepraktyczność wymiarów, zakresu częstotliwości itp.
Samodzielne zaprojektowanie i zbudowanie takiej antenny nie jest zadaniem skomplikowanym i nie wymaga zrozumienia bardzo w sumie abstrakcyjnej i trudnej do intuicyjnego zrozumienia teorii promieniowania elektromagnetycznego.

Nie jest zadaniem tego artykułu przedstawienie detalicznych planów budowy MPAM. Moją ambicją jest wyjaśnienie podstaw działania MPAM w stopniu który pozwoli przeciętnie technicznie uzdolnionym krótkofalowcom zrozumienie jej działania i pozwoli na samodzielne zaprojektowanie i zbudowanie MPAM z uniknięciem wielu typowych błedow, jak również da im podstawy do prawidłowej oceny jej działania.

Z drugiej jednak strony nie jest moją intencją wkraczanie w bardzo naukowe aspekty promieniowania antenn. Prawie wszystko co jest w tym artykule zawarte oparte jest na szeroko znanych (choc często glęboko zapominanych) podstawowych regułach fizyki a jedyne co ten artykuł może wyróżniać to fakt ze wszystko to jest zgromadzone w jednym miejscu i uporządkowane tak aby ułatwić zrozumienie.

MPAM jest antenną zdecydowanie wartą zastanowienia. Nie wyprze ona oczywiście ogromnej farmy antennowej (marzenie) ale w wielu wypadkach może byc jednym z możliwych, a czasem jedynym możliwym rozwiązaniem trudnego problemu antennowego.

I jeszcze jedna uwaga, MPAM są najczęściej budowane jako pętle składąjace się z jednego tylko zwoju i pod takim kątem są one przedstawione w tym artykule. Nic jednak nie stoi na przeszkodzie w zbudowaniu antenny np dwu- albo trzyzwojowej co może mieć sens w zastosowaniu na parę dolnych pasm.
W przypadku kiedy wzory prezentowane w tym artykule zostały uproszczone do jednego zwoju w trakcie ich przekształcania zawsze istnieje możliwość powrotu do podstawowego wzoru i użycie więcej niż jednego zwoju.

1. Wstep
2. Charakterystyczne cechy MPAM. Wady i zalety
3. Indukcyjność i naskórkowość
4. Elektrycznie małe antenny - trochę teorii
5. Mała Pętlowa Antenna Magnetyczna - trochę teorii
6. Sprzężenie z feederem - sposoby i obliczenia
7. Praktyczna konstrukcja MPAM
8. Przykład zaprojektowania MPAM
9. Dodatkowe Informacje

Janusz Z. Ŀokaj VE3ABX
Ottawa, Canada
20 Październik 2004