Małe Pętlowe Antenny Magnetyczne

 

2. Charakterystyczne cechy MPAM. Wady i zalety


  MPAM są antennami elektrycznie bardzo małymi z wysokim współczynnikiem dobroci Q i bardzo dużym udziałem pola magnetycznego (w stosunku do innych antenn) w generacji i odbiorze promieniowania elektromagnetycznego. Daje im to szereg bardzo specyficznych cech.

Oczywistymi zaletami MPAM sa bardzo małe wymiary (w stosunku do długości fali), relatywna niewrażliwość na wysokość zainstalowania (działają nawet na ławce w parku) i promieniowanie w bardzo szerokim zakresie kątow elewacji przez co nadają sie one tak do łączności lokalnych jak i DX.
Doskonale się też one nadają do pracy terenowej (pod warunkiem że się zmieszczą do samochodu).
Pozioma charakterystyka kierunkowa pionowo zainstalowanej antenny, podobna do poziomej antenny typu dipole (ósemka) z bardzo dużym tłumieniem w kierunku prostopadłym do płaszczyzny antenny pozwala na eliminowanie nawet bardzo silnych zakłócajacych sygnałów przez odpowiednie ustawienie antenny (zakładając że jest ona obracalna).

Wąskopasmowość
Bardzo wysoki współczynnik Q powoduje że antenny te cechują się wyjątkowo dużą wąskopasmowością (dużą selektywnością) co z jednej strony jest ich ogromną wadą, z drugiej zaś może też być wykorzystane jako ogromna zaleta.
Przy nadawaniu antenna działa jak bardzo wysokiej jakości filtr bardzo silnie tłumiący niepożądane częstotliwości (np harmoniczne), przez co nadawany sygnał jest bardzo czysty.
Jednakże w skrajnych przypadkach, szczególnie na niższych częstotliwościach (powiedzmy 3.5MHz, a szczególnie 1.8MHz) i w przypadku MPAM o małych stratach, może pasmo przepuszczania być tak wąskie że niemożliwa może się zrobić praca emisją SSB (!). Definicja pasma przenoszenia typowo mierzonego dla -3dB spadku ma zastosowanie tylko przy odbiorze. Przy nadawaniu ważniejszym ograniczeniem jest pasmo mierzone znacznym wzrostem VSWR, i będzie ono znacznie węższe.

Bardzo typowo transceivery zawierają na wejściu odbiornika filtr pasmowy pokrywąjacy całe jedno pasmo (Df=500kHz). Przy takim rozwiązaniu filtru wejściowego mixer (albo przedwzmacniacz) jest "bombardowany" wszystkimi sygnałami i zakłóceniami zawartymi w całym paśmie co nawet przy dobrym zakresie dynamicznym odbiornika moze powodować jego przesterowywanie. Taka sytuacja jest dość powszechna w dużych miastach.
W takim przypadku MPAM działa jak filtr o bardzo dużej selektywności ustepującej jedynie filtrowi kwarcowemu. Jedyny sygnał jaki wejście odbiornika będzie widziało to jest ten do ktorego antenna jest dostrojona. Przy budowie własnego odbiornika można to uwzględnić i przewidzieć możliwość wyłączania filtru wejsciowego, oszczędzając sobie w ten sposób jego dodatkowego tłumienia.
Wadą tak dużej selektywności jest uniemożliwienie użycia tradycyjnych ogranicznikow trzaskow (typu QRN) w odbiorniku, co spowodowane jest ulokowaniem obwodu o bardzo dużej selektywności na jego wejsciu.
Lloyd Butler VK5BR opisuje ogranicznik trzasków specjalnie zaprojektowany do MPAM o wysokim Q w swoim artykule Noise Blanking for the High Q Loop Antenna.

Ogromna wąskopasmowość MPAM powoduje też konieczność ciągłego ich przestrajania przy niedużej nawet zmianie częstotliwości pracy. Wymaga to stosowania rożnego rodzaju układow zdalnego strojenia (o czym w części 7 ) i może poważnie utrudnić pracę w zawodach.

Pole magnetyczne
MPAM znana jest z dużego udziału pola magnetycznego (H) w produkowaniu promieniowania elektromagnetycznego (EM). Cecha ta jest często dość użyteczna ale jeszcze częściej jest znacznie wyolbrzymiana. Określenie “antenna magnetyczna” sugeruje obecność wyłącznie pola magnetycznego.
W rzeczywistości nie jest to całkowicie zgodne z prawdą i produkuje ona (i odbiera!) także i pole elektryczne (E) i to na ogół znacznie większe niż pole magnetyczne. Mowa oczywiscie o polach bezpośrednio otaczających antennę. Wyjaśnione jest to w części 5.
Obecność silnego pola elektrycznego przy nadawaniu można bardzo łatwo stwierdzić przy pomocy świetlówki.
Ale biorąc pod uwage fakt że daleko od antenny stosunek E/H jest równy 377 to nawet E/H ~ 20 (część 5) jest wartością bardzo małą, sugerujacą silną zawartość pola magnetycznego.
Jakie są tego zalety?
Przy nadawaniu dość oczywistą zaletą jest znacznie niższe pole elektryczne przez tą antenne wytwarzane (i odbierane). Może to miec dość duże znaczenie jeśli chodzi o bezpieczeństwo. I tak np US standard IEEE C95.1 regulujący poziomy napromieniowania elektromagnetycznego w zakresie częstotliwości 3-30MHz ogranicza jego poziom do 1842/F [V/m] składowej elektrycznej (E) i 16.3/F [A/m] składowej magnetycznej (H) (gdzie F, częstotliwość, jest w MHz ) w tzw Controlled Environment, co w praktyce oznacza ze chodzi o personel obsługujący urządzenia a nie przypadkowych przechodniów.
Zakładając wspomniane w części 5 różnice stosunku E/H pomiędzy antennami "elektrycznymi" i "magnetycznymi" (powiedzmy 5000 w stosunku do 20) oznacza to że dla takiej samej częstotliwości i odległości od antenny (mowa oczywiscie o bezpośrednim sąsiedztwie antenny) antenna magnetyczna zezwoli na użycie prawie 8 razy większej mocy zanim sie osiągnie limit napromieniowania. To drastyczne zmniejszenie poziomu pola elektrycznego w wielu przypadkach moze też pomóc w wyeliminowaniu TVI (w przypadku kiedy silne pole elektryczne jest jego powodem). Wielu krótkofalowców nie może sobie pozwolić na prace QRO z uwagi na bliskość sąsiadów i problemy powodowane przez ogromne pola elektryczne, w wielu takich przypadkach MPAM może umożliwić dośc spore podwyższenie mocy bez zakłócania urządzen elektronicznych w bezpośrednim sąsiedztwie. Zakładając oczywiście że antenna jest zdolna do pracy QRO.

W znacznym stopniu blędne jest twierdzenie że jako że jest to antenna magnetyczna eliminuje ona zakłócenia w odbiorze ktore wystepują głównie jako pole elektryczne.
Zakłócenia są tez promieniowaniem elektromagnetycznym i podlegają dokładnie takim samym prawom fizyki. Faktem jest że produkowane są one najczęściej głównie jako początkowo pole elektryczne. Ale już w odległości znacznie mniejszej niż długość fali przemienia się to pole w promieniowanie elektromagnetyczne z dokładnie takim samym stosunkiem E/H (377) jak każde inne promieniowanie elektromagnetyczne. To co odbieramy jako nieznośny szum i zakłócenia jest w rzeczywistości sumą promieniowania niezliczonych zródeł otaczających miejsce odbioru i położonych w odległościach z reguly większych lub znacznie większych niż np. połowa długości fali. MPAM będzie to odbierała dokładnie tak samo jak każda inna antenna o takiej samej polaryzacji i zysku.
Jedynie w przypadkach kiedy zródło zakłócen, np. młynek do kawy, ulokowane jest naprawdę bardzo blisko antenny MPAM bedzie w stanie zrobiś różnicę. W przypadku nawet najniższego z pasm amatorskich (160m) oznacza to generalnie mniej niz kilkadziesiat metrów i proporcjonalnie mniej na wyższych pasmach.
Pętlowe antenny magnetyczne sa bardzo często używane do odbioru na niskich częstotliwościach (fale długie i poniżej). W tych zakresach częstotliwości długości fali sa na tyle duże że antenna taka będzie niewrażliwa na pola elektryczne w dość znacznym promieniu.
Przykładem moze np być zbudowana przez mnie antenna pętlowa do odbioru stacji wzorcowej WWVB w Boulder (Colorado) na częstotliwości 60kHz (l=5km). Odbiór tej stacji w moim QTH z antenną typu LW jest bardzo trudny (prawie niemożliwy) z uwagi na wysoki poziom zakłócen (i czywiście niski poziom sygnału) z których większość jest generowana w odległości do, powiedzmy, kilometra. Magnetyczna antenna pętlowa bardzo dobrze redukuje większość z nich jako że jej bliskie pole magnetyczne rozciąga sie na dobre kilkaset metrów, i zapewnia odbiór z jakością wystarczającą do bardzo dokładnych pomiarów częstotliwości.
Niestety nie da się tego wykorzystać w takim stopniu na znacznie krótszych falach.

Bardzo duży udział pola magnetycznego powoduje też pewną wrażliwość antenny na obecność dużych obiektów ferromagnetycznych (np. stalowych) w ich bezpośrednim otoczeniu. Nie stanowi to jednak przeszkody w ich użyciu na wielu okrętach wojennych tak Canady i USA, gdzie zainstalowane są na wysokości zaledwie 2 metrów nad mostkiem i dobrze działają pomimo relatywnej bliskości ogromnej ilości stali.
Bezpośrednia bliskość sporych obiektów stalowych (np poręcz balkonu) może przejawić się jako zwiększona rezystancja strat w zastępczym schemacie antenny zmniejszając jej sprawność i ewentualnie pogarszając dopasowanie. Nie oznacza to oczywiście że nie można jej na balkonie użyc, oznacza to tylko ze trzeba ta antenne zainstalować możliwie najdalej od stalowych poręczy i zbrojonego betonu.

Kąt Elewacji
Pamietać należy że różnice w promieniowaniu MPAM w stosunku do innych antenn odnoszą sie głównie do bliskiego pola bezpośrednio otaczającego antennę. Już jednak w odległościach mniejszych nawet niż ¼ l promieniowanie elektromagnetyczne antenn jest takie same niezależnie od ich zasady działania.
Kąt elewacji antenny kształtowany jest przez współdziałanie ziemi w obszarze rozciągającym sie na wiele długości fali. To powoduje ze MPAM będzie dokładnie tak samo zależna od użytej polaryzacji i wysokości nad ziemią jak każda inna antenna jeśli chodzi o jej kąt elewacji.
Dość typowo jest MPAM używana w pozycji pionowej i promieniuje dużą składową o polaryzacji pionowej. Jej współdziałanie z ziemią produkuje tak charakterystyczny dla pionowej polaryzacji niski kąt elewacji bliskich ziemi antenn. Jednakże tak jak i w przypadku antenny pionowej rzeczywisty kąt elewacji zależny będzie od przewodności ziemi otaczającej antennę w dość sporym promieniu i będzie zawsze gorszy (wyższy) niż teoretycznie obliczony dla idealnej ziemi.
Pamietać też należy że MPAM promieniuje w polaryzacji pionowej tylko w plaszczyznie horyzontu i jej polaryzacja stopniowo zmienia sie na pozioma w miare wzrostu kata elewacji. To spowoduje pewne rożnice w rzeczywistych katach elewacji będących wynikiem interakcji z ziemia w stosunku do typowych antenn pionowych.
Duża zawartość promieniowania o polaryzacji poziomej przy wyższych katach elewacji z uwagi na bliskość ziemi, wypromieniowane zostanie dość wysoko, i w rezultacje użyta być może do łączności lokalnych.

Efektywność
Effektywność MPAM jest często porównywana do poziomej antenny typu dipole i ta ostatnia z regóły wychodzi nieco lepiej. Pamiętać jednak należy że takie porównania robione są pomiędzy odpowiednio wysoko zainstalowanym antennami.
W trudniejszych warunkach antennowych kiedy antenny są zainstalowane raczej nisko dobra MPAM moze pobić na glowę pozioma antennę typu dipole w pracy DX. Właściwym porównaniem byłaby pionowo ustawiona MPAM w stosunku do antenny pionowej (np GP) z którą może z powodzeniem konkurować.
W każdym z takich porównań upewnić się należy że MPAM jest prawidłowo zbudowana i jej straty utrzymane są na jak najniższym poziomie.

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. Sprzezenie z feederem - sposoby i obliczenia
7. Praktyczna konstrukcja MPAM
8. Przyklad zaprojektowania MPAM
9. Dodatkowe Informacje


Janusz Z. Ŀokaj VE3ABX
Ottawa, Canada
20 Październik 2004