Małe Pętlowe Antenny Magnetyczne

 

7 - Praktyczna konstrukcja MPAM


  Po zapoznaniu się z najważniejszymi aspektami teoretycznymi wyraźnie widać dość spore ograniczenia jeśli chodzi o materiały i podzespoły jakie mogą być użyte do budowy takiej antenny. Każdy z elementów planowanych do użycia w jej budowie powinien być zanalizowany pod kątem jego rezystancji strat na częstotliwościach pracy antenny. Jednakowo ważne są metody jej montażu.

Pamietać należy że
kazdy kompromis zmniejsza sprawność antenny w stopniu tym większym im mniejsza jest jej wielkość w stosunku do długości fali.

Idealnie cała antenna powinna być wykonana z jednego kawalka metalu o możliwie najlepszej przewodności elektrycznej (srebra albo miedzi?) wlączając w to i kondensator zmienny. To jest oczywiście niemożliwe i pewne kompromisy sa zawsze nieuniknione.
Z drugiej jednak strony zanim wpadnie się w przesadę, albo zanim zrezygnuje się z budowy takiej antenny dobrze jest się przyjrzeć liczbom pokazujacym stratę sygnału w dB i w jednostkach "S" (mowa o wskazaniach dobrze kalibrowanego S-metra) jako funkcję stosunku rezystancji sumy wszystkich strat RS do rezystancji promieniowania RP antenny. 
          RS / RP      strata w dB     strata w "S"
           1.0 ×            3dB             0.5
           3.0 ×            6dB             1.0
           6.9 ×            9dB             1.5
          14.9 ×           12dB             2.0
          30.6 ×           15dB             2.5
          62.1 ×           18dB             3.0
Wyraźnie z tego widać ze możliwe jest użycie (wprawdzie nieco limitowane) takiej antenny nawet kiedy straty sa wielokrotnie większe niż jej użyteczna rezystancja promieniowania i tłumaczy to dlaczego nawet stare kola rowerowe były z powodzeniem użyte do budowy takiej antenny.
Najważniejszym elementem jednak jest dość spora doza zdrowego rozsadku przy analizowaniu strat w antennie jako że nie ma np żadnego sensu (oczywiście z punktu widzenia strat i ekonomii) kombinacja stalowej rury z bardzo drogim próżniowym kondensatorem zmiennym albo bardzo gruba i kosztowna rura miedziana ze zwykłym pojedynczym odborczym kondensatorem zmiennym ze ślizgaczem (i ogromnymi stratami).

Pętla

Najlepszym w praktyce materiałem na pętlę jest rura miedziana aczkolwiek aluminium prawie równie dobrze może byc użyte jako że jego rezystywność jest tylko ok. 1.6 razy większa niż miedzi. Stal, a szczegolnie stal nierdzewna są już znacznie gorsze i ich rezystywność jest odpowiednio 11 i ponad 40 razy większa niz miedzi.
Ocynkowana rura stalowa jest lepsza niz sama stal jako że cynk ma rezystywność tylko nieco ponad 3 razy większą niz miedź i pamiętać też należy o zjawisku naskórkowości które spowoduje że tylko powierzchniowa warstwa cynku będzie przewodziła prąd wielkiej częstotliwości.
Srebrzenie rury miedzianej może wydawać sie dobrym sposobem na zmniejszenie strat ale skoro przewodność srebra jest tylko 5% lepsza niż miedzi więc minimalna poprawa może nie być warta wydatku. Znacznie ważniejsza jest gładkość powierzchni gdzie koncentruje się większość prądu wielkiej częstotliwości.
Dobrze jest również zabezpieczyć ją przed korozją która może dość znacznie zmniejszyć przewodność powierzchni po upływie czasu.
Grubość ścianek rury z punktu widzenia przewodności jest absolutnie nieistotna, jako ze nawet na 1.8MHz głębokość penetracji prądu będzie znikoma w porównaniu do grubości ścianek nawet najcieńszych rur. Mechaniczna stabilność jest tutaj najważniejsza.
Pewne znaczenie ma kształt pętli jako że sprawność antenny będzie tym niższa im wieksza jest długość rury (obwód) dla danej powierzchni pętli. Okrągła pętla będzie miała największą sprawność. Różnica sprawności pomiędzy pętlą okragłą i np kwadratową będzie minimalna jeżeli antenna nie jest bardzo mała.
Zewnętrzna średnica użytej rury ma za to bardzo duże znaczenie i to z dwóch powodów, jako ze im większa jest średnica użytej rury tym:
  1. mniejsza jest jej rezystancja dla prądu wielkiej częstotliwości i mniejsze straty
  2. mniejsza jest indukcyjnosc pętli dla danej jej średnicy.
Pierwszy warunek jest oczywisty ale drugi może wymagać małego wyjaśnienia.
Im mniejsza jest indukcyjność pętli (i jej indukcyjnej reaktancji) dla stałej jej średnicy (a raczej powierzchni) tym mniejszy jest współczynnik Q (wzor x) i tym szersze jest pasmo antenny co ułatwia jej strojenie. Zmiana nie jest jednakże bardzo duża jako że w miarę wzrostu średnicy rury zmniejsza się jej rezystancja strat ktora znajduje się w mianowniku wzoru na wspołczynnik Q i w pewnym stopniu kompensuje zmiane reaktancji.

Rurki o przekroju okrągłym są najcześciej używane do budowy głównej pętli MPAM. Nie jest to jednakże reguła i spokojnie uzyć można materiałów o innym przekroju. Ciekawostką jest ze okrągły kształt nie jest wcale optymalny, a powodem jest jego indukcyjność. Najmniejszą indukcyjność własną będzie miała pętla zrobiona z płaskiej taśmy i spotkać można MPAM zrobione nawet z nietrawionego materialu na obwody drukowane.

Połączenia

Połączenia są z reguły nieuchronne i mogą one być odpowiedzialne za dość spore straty.
Najlepsze jest porządne lutowanie z użyciem spoiwa twardego z zawartością srebra w przypadku pętli z rurek miedzianych i spawanie w przypadku rurek aluminiowych.

Dość często używaną techniką w przypadku pętli ośmiokątnej albo kwadratowej jest użycie miedzianych złączek hydraulicznych połączonych teleskopowo z rurami i wypełnianie złącza twardym lutem. Rezystancja złącza jest w takim przypadku bardzo mała jako że bardzo duża jest jego powierzchnia przekroju.
Połączenia śrubowe nie są na ogól zalecane ale jeśli są konieczne to w każdym punkcie użyć należy więcej mniejszych śrub niż np jedną dużą i tak zaprojektować połączenie aby łączone części miały jak najwiekszą powierzchnię kontaktu.
Każde złącze należy bardzo dokładnie zabezpieczyć przed korozją.

Bardzo często zachodzi konieczność użycia różnych metali do budowy takiej antenny jak np miedź (petla) i aluminium (plytki kondensatora zmiennego). Takie połączenie bardzo szybko skoroduje w obecności wilgoci i spowoduje bardzo duże straty albo w ogóle straci kontakt, a do tego może stać sie silnym źródłem harmonicznych z uwagi na jego nieliniowy charakter - coś jak generator harmonicznych na diodzie pojemnościowej albo lawinowej.
W szeregu elektrochemicznym metale te (miedź i aluminium) różnią się o 2V i jest to w praktyce jedna z najgorszych kombinacji jeśli chodzi o korozje o podłożu elektrochemicznym, szczególnie jeżeli złącze takie znajduje się na zewnątrz (wilgoć).
Jeśli użycie takiej kombinacji jest nieuniknione to musi być to złącze odpowiednio zabezpieczone. Użyć do tego można specjalnego smaru. Jest to smar na bazie silikonu z domieszką drobnych cząsteczek miedzi albo tlenku cynku. Przy mocnym ściśnięciu złącza cząstki te wbijają się w powierzchnie obu metali tworząc dobre połączenie (nawet sporo poniżej 1mW) i izolowane są przy tym od wilgoci i powietrza przez otacząjacy je smar.
Podobny problem wystąpi przy łączeniu aluminium z cynkiem (czy ocynkowana stalą).
W klimacie nadmorskim (sól!) generalnie nie jest zalecane łączenie metali różniących sie w szeregu elektrochemicznym o więcej niż 0.7V niezależnie od zabezpieczenia.

Kondensator zmienny

Kondensator zmienny z rotorem połączonym za pomocą ślizgacza jest zupełnie nieodpowiedni do budowy MPAM jeżeli chcemy urzymać rozsadną jej sprawność. Rezystancja takiego kontaktu może być wielokrotnie wyższa niż rezystancja promieniowania z jednej strony, a z drugiej musi on wytrzymać bardzo duże prądy wielkiej częstotliwości (dziesiatki amp. dla 100W mocy) tak typowe dla tej antenny.
Generalnie najlepsze są kondensatory próżniowe. Ich zaletami są bardzo mała szeregowa rezystancja strat (typowo rzedu kilku mW), bardzo duża wytrzymałość prądowa i napięciowa, oraz dostępny duży zakres zmian pojemności. Niestety nie są one najtańsze i cena takiego kondensatora może nawet zrównać się z ceną używanego transceivera. MPAM produkowane fabrycznie często używają takich kondensatorow. Przykładem jest antenna MLA-115.
Najczęściej jednak w konstrukcjach amatorskich używane są podwójne powietrzne kondensatory zmienne.
Użycie podwójnego (obie sekcje jednakowe) kondensatora zmiennego eliminuje konieczność stosowania ruchomego kontaktu rotora. Wykorzystane są wyprowadzenia obu sekcji statora a rotor nie jest nigdzie podłączony. W ten sposób obie sekcje połączone są w szereg obnizając wypadkowa pojemność do połowy każdej z sekcji i prawie dwukrotnie podnosząc wytrzymałość napieciowa.

Dwa typy zmiennych kondensatorow typu nadawczego są najczęściej używane: motylkowe (butterfly) i z rozdzielonym statorem (split-stator). Wadą kondensatora motylkowego jest to że całkowita zmiana pojemności zachodzi przy obrocie statora o tylko 90º w przeciwienstwie do 180º w przypadku kondensatora typu split-stator.
Przykład dobrego nadawczego kondensatora typu split-stator o napięciu pracy 8kV z przekładnią bezluzową zobaczyć można na zdjęciu .
Zwykłe podwójne kondensatory zmienne typu odbiorczego nie są najlepszym wyborem (z uwagi na nieco wyższe straty) ale są też nieraz używane po nieznacznym obniżeniu wymagań. Odległości między płytkami muszą byc oczywiście odpowiednio powiększone.

Wytrzymałość napięciowa jest bardzo ważnym parametrem użytego kondensatora z uwagi na bardzo wysokie napięcia występujące w MPAM nawet przy mocach na poziomie QRP.
Nie jest możliwe proste obliczenie napięcia przebicia kondensatora bazując tylko na odstępie między płytkami jako że jest ono funkcją dość sporej ilości czynnikow.
Oprócz odległości między płytkami jest to również ciśnienie atmosferyczne, kształt krawędzi płytek i inne. Obecność ostrych krawędzi mocno zmniejszy napięcie przebicia więc powinny być one zaokrąglone.
Przy niezmienionych wszystkich pozostałych parametrach wartość napięcia przebicia nie jest też wcale liniową funkcja odstępu między płytkami i przy bardzo małych odstępach rzedu 0.06mm może ona przekroczyć 12kV/mm, spadając do zaledwie 2.8kV/mm przy odstępach rzędu 100mm.
Typowo dla kondensatorow powietrznych typu nadawczego oblicza się maxymalne szczytowe napięcie pracy zakładając 1.5kV/mm, w co wchodzi dość duży margines bezpieczeństwa.

Całkowicie możliwe jest samodzielne wykonanie takiego kondensatora w warunkach domowych. Przykłady takich rozwiązan znaleść można w linkach i jest wśród nich także bardzo ciekawe rozwiązanie koncentrycznego kondensatora zmiennego z rurek miedzianych.

Zdalne strojenie

MPAM wymagają ciągłego przestrajania użytego kondensatora zmiennego nawet przy bardzo małych zmianach częstotliwości. Jego ręczne przestrajanie nawet w warunkach terenowych jest bardzo niepraktyczne, jako że z uwagi na bardzo wysoką wartość współczynnika Q obecność operatora może mieć dość spory wplyw na strojenie, pomijając już fakt że ciągle przebywanie w bezpośrednim otoczeniu antenny nawet przy stosunkowo niedużych poziomach mocy może stanowic pewne zagrożenie dla zdrowia.
Bardzo typowo antenny takie strojone są zdalnie.
Mechanizm użyty do tego celu musi być zdolny do pracy w obu kierunkach obrotów jak i do stabilnego utrzymania bardzo niskiej prędkości obrotowej dla dokładności strojenia z równoczesną możliwością szybszego zgrubnego strojenia szczególnie w przypadku antenny pokrywajacej wiele pasm.
Duży zakres strojenia dla pokrycia kilku pasm, i jednocześnie bardzo wąskie pasmo (kilka kHz w wielu przypadkach) szczególnie w dolnym zakresie strojenia wymagać może bardzo małej minimalnej prędkości obrotowej na wyjściu przekładni nawet rzędu jednego obrotu na więcej niż minutę.
Użyta w nim przekładnia nie powinna mieć nadmiernych luzów.

Najbardziej typowe rozwiazania takich urządzeń .
to:
  1. Silniczki pradu stałego z wielostopniową przekładnią redukcyjną.
    Jest to najczęściej stosowane rozwiązanie. Można do tego celu użyć miniaturowych silniczków prądu stałego sprzęzonych z wielostopniową przekładnią redukcyjną typu stosowanego w zabawkach albo modelach. Idealne są też czasem osiągalne precyzyjne silniczki z przekładnią jak przedstawiony na zdjęciu .
    Mogą się one jednak okazać bardzo kosztowne.
    Niezależnie jednak od zastosowanego silniczka upewnić sie należy że przełożenie jest wystarczająco duże aby precyzyjnie dostrajać kondensator zmienny.
    Do zdalnej kontroli takiego silniczka użyc można układów elektronicznych podobnych do stosowanych do modeli lokomotyw.
    Silniczek taki może też być użyty jako element wykonawczy w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego z detektorem fazy jako czujnik odstrojenia. Układ taki automatycznie dostraja MPAM do rezonansu z chwila uruchomienia nadajnika i wykrycia przez detektor fazy przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem i prądem. Typowo takie detektory fazy (do automatycznego strojenia tunerow antennowych) zbudowane mogą być z użyciem podwójnie zrównoważonego mieszacza diodowego albo układu scalonego w rodzaju CD74HC297 czy CD74HC7046. Wykracza to jednak poza przyjęte ramy artykułu.
  2. Silniki krokowe.
    Silniki krokowe są ostatnio bardzo rozpowszechnione (głównie przez ich użycie w napędach różnego rodzaju pamięci dyskowych w computerach).
    Ich zaletą jest bardzo łatwe sterowanie przez bardzo proste układy elektroniczne jak i za pomoca computera czy microprocessora (do automatycznego strojenia) jak również pełna kontrola nad jego kątowym ustawieniem.
    Dość poważną wadą może być minimalna wielkość pojedynczego "kroku" silniczka co też zależy od jego rzeczywistego typu. Najczęściej spotykane typy pokrywają 360o w 200 krokach co oznacza skok wielkości 1.8o. Dosc prosta zmiana sposobu sterowania może liczbe krokow podwoić. Istnieją również sposoby na dalsze zwiększenie ilości krokow, jak również można znaleść silniki krokowe o większej podstawowej liczbie krokow. Możliwe jest też użycie przekładni redukcyjnej
    Trzeba jednakże pamiętać że w skrajnych przypadkach (np elektrycznie bardzo mała antenna wielopasmowa o bardzo małych stratach) jej całe pasmo przenoszenia w dolnym zakresie częstotliwości może być pokryte przez obrót rzędu zaledwie 0.1o!.
    Istnieje kilka rodzajów silników krokowych w zalezności od kombinacji uzwojen i wymagac to moze odpowiedniego zaprojektowania układów sterujących.
    Dokładne na ten temat informacje znaleść mozna m.in. na web site Uniwersytetu Iowa.
  3. Selsyny - znane tez pod nazwami Synchro, Autosyn i Aysynn (Australjska nazwa).
    Są to urządzenia znane od okolo 80 lat i ostatnio powoli zapominane. Zestaw składa się z nadajnika TX i odbiornika RX (jest to umowne jako że sprzężenie działa w obie strony), oba wygladające jak małe silniki elektryczne .
    Oś odbiornika bardzo dokładnie będzie odtwarzała kątowa pozycję osi nadajnika przez co taki zestaw świetnie się nadaje do zdalnego strojenia kondensatora zmiennego.
    Wadą salsynów jest ich bardzo mały moment obrotowy na wyjściu odbiornika przez co nie mogą one wykonywać praktycznie żadnej pracy i typowo używane sa tylko jako wskazniki kątowego położenia. W użyciu do strojenia kondensatora zmiennego wada ta jest oczywiście zupełnie nieistotna. Dość poważną jednak wadą, szczególnie w zastosowaniu terenowym jest wymagane zasilanie prądem zmiennym o napięciach typowo 26, 90 albo 115V (czasem i wyzszym) choć zdarzają się też selsyny na inne napięcia. Bardzo często wymagają one częstotliwości 400Hz choć można też spotkać wersje wymagające 60Hz albo 50Hz. 400Hz pochodzi z ich bardzo powszechnego zastosowania w samolotach i okretach.
    Pewną komplikacją może też być wymagane 5 przewodow do ich wzajemnego połączenia .
    Dość trudne może być jednak użycie selsynow do układów automatycznego strojenia.
    Doskonale się selsyny nadają do ręcznego zdalnego strojenia z uwagi na bardzo naturane sprzężenie z kondensatorem zmiennym. Pełna synchronizacja położenia obu stron daje również wizualną kontrolę rzeczywistej pozycji. Praktyczne strojenie przy użyciu selsynow działa jak spręzynujące mechaniczne sprzęzenie obu osi.
    Troche uwag (autorstwa UA9XBI) o uzyciu selsynow zobaczyc mozna na web site CQHAM.RU (po rosyjsku). Znalesc tam rowniez mozna dane techniczne selsynow produkcji rosyjskiej.
  4. Serwomechanizmy.
    Serwomechanizmy są bardzo powszechnie stosowane w robotach przemysłowych i są dość łatwo dostępne tyle że na ogół bardzo drogie. Znacznie tańsze są swerwomechanizmy produkowane do użycia w zdalnie sterowanych modelach i zabawkach.
    Bardzo popularny i niedrogi ($10 do 15) serwomechanizm S3003 firmy Futaba pokazany jest na zdjęciu .
    Takie serwomechanizmy nadają się do zdalnego strojenia kondensatora zmiennego ale pamiętać należy o dwóch rzeczach.
    Niektore tańsze modele mogą mieć dość znaczny kąt martwy w którym nie odpowiedzą na bardzo małą zmianę pozycji i to może wymagać sprawdzenia z danymi katalogowymi przed podjęciem decyzji o ich użyciu.
    Wszystkie serwomechanizmy mają wbudowane układy elektroniczne które są kompletnie nieodporne na ogromne pola elektryczne i magnetyczne istniejące w bezpośrednim sąsiedztwie każdej antenny. Zdecydowanie wymaga to dość dokładnego zaekranowania serwomechanizmu (zupełnie wystarczy cienka folia miedziana) i zainstalowania filtrow przepustowych na wszystkich (typowo trzech) jego przewodach. Filtry takie muszą być zainstalowane w sposób uniemozliwiający dostawanie się silnych pól do wnętrza serwomechanizmu. Dodatkowo filtr zainstalowany na przewodzie kontrolnym musi być tak zaprojektowany aby nie blokował impulsowego sygnalu kontrolnego. Jest to dość proste jako że sygnał kontrolny jest ciągiem impulsów o częstotliwości typowo 50Hz i regulowanej szerokości pomiędzy 1.25 do 1.75ms (typowo), a więc używane częstotliwości są stosunkowo niskie.
    W praktycznym zastosowaniu jako źródło takich impulsow użyć można układ scalony 555 (timer) w układzie generatora impulsów o stałej częstotliwości i szerokości impulsow regulowanej w zakresie 1.25 do 1.75ms.
    Przykład takiego generatora znaleść można na web site Uniwersytetu w Guelph (Ontario).
    Ciekawostką jest że można taki serwomechanizm przebudowac tak że działać będzie jako sinik z przekładnią o obrotach i ich kierunku regulowanych szerokością impulsów który równiez może być użyty do strojenia kondensatora zmiennego antenny. Opis takiej przeróbki znaleść można na Seattle Robotics Society web site.

1. Wstęp
2. Charakterystyczne cechy MPAM. Wady i zalety
3. Indukcyjność i naskórkowość
4. Elektrycznie małe antenny - trochę teorii
5. Mała Pętlowa Antenna Magnetyczna - trochę wzorow
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