Magnetic Loop Antenna by SO5HMI
Ponieważ dysponuję dosyć marnymi warunkami antenowymi, musiałem iść na spory kompromis związany z anteną na pasma KF. Finalnie zdecydowałem się na zbudowanie anteny magnetycznej, działającej od 7 do 30 MHz.
Dlaczego antena magnetyczna?
Ze względu na stosunkowo kompaktowe rozmiary oraz wysoką, porównywalną z dipolem skuteczność. Oczywiście nie ma róży bez kolców, antena magnetyczna stroi bardzo wąsko, a do zmiany pasma wymaga przestrajanego kondensatora. To główny problem, z którym muszą się zmierzyć konstruktorzy.Magnetic loop: Założenia i konstrukcja
Antena magnetyczna to dwie sprzężone ze sobą pętle indukcyjne. W moim rozwiązaniu główna pętla została wykonana z grubego przewodu koncentrycznego CellFlex 7/8". To tak na prawdę umieszczone centrycznie dwie miedziane (większa o średnicy 25,2 mm oraz mniejsza 9,3 mm), karbowane rury oddzielone pianką (zdjęcie na dole po lewej stronie). Przewód nie jest ciężki, daje się łatwo lutować, naturalnie też jest wygięty w okrąg. Nie ma więc problemów z formowaniem okręgów jak to jest w przypadku rurek aluminiowych lub miedzianych.Mniejsza pętla została wykonana z przewodu koncentrycznego RG213 (zdjęcie na dole po prawej stronie), w którym obie żyły zostały ze sobą zwarte.
Parametry przewodów można sprawdzić w katalogu.
Zdecydowałem, że średnica anteny nie może być większa niż 1 metr, co w paśmie 20 metrów dawało mi sprawność na poziomie 74 procent, natomiast pojemność kondensatora strojeniowego powinna wynosić około 50 pF. Aby przestroić antenę na 7 MHz trzeba zastosować dużo bardziej pojemny kondensator - 206 pF, natomiast żeby dało się ją dostroić na pasmo 10 metrów trzeba przestroić kondensator do 13 pF. Antena magnetyczna stroi bardzo wąsko, pasmo ze spadkiem -3dB wynosi zaledwie 20 kHz w moim wypadku, choć w praktyce bez problemu można jej używać w rozpiętości 70 kHz.
Średnica głównej pętli wpływa jednak na skuteczność anteny. Im jest ona większa, tym konstrukcja lepiej spisuje się na niższych pasmach.
- motylkowy - wielu konstruktorów samodzielnie wykonuje kondensatory motylkowe, aby jednak zapewnić odpowiednio dużą pojemność muszą być one duże.
- powietrzny, nadawczy - można użyć kondensatora zmiennego, powietrznego, wymontowanego na przykład z nadajników wojskowych. Takiego własnie kondensator został użyty w mojej antenie. Najważniejsze jest, aby kondensator nie miał elementów ślizgowych, dzielony stator musi więc mieć jeden wspólny rotor. W ten sposób obracając rotor zmienia się pojemność pomiędzy oboma statorami.
Użyty w mojej antenie kondensator ma 2 sekcje po 30 pF oraz jedną 60 pF, co w sumie daje zakres regulacji od 9 do 120 pF, co zgodnie z wyliczeniami powinno zapewnić pokrycie od około 9 MHz do 32 MHz. Żeby zejść do pasma 40 metrów trzeba zwiększyć pojemność kondensatora do 190 pF podłączając równolegle stały kondensator. Kondensator pochodzi z radiostacji wojskowej - kupiłem go na Allegro od użytkownika DW_Radio.
- kondensator próżniowy - najlepsze rozwiązanie do anteny magnetycznej ze względu na duży zakres pojemności oraz na stałość parametrów dielektryka (próżnia). W wypadku kondensatorów powietrznych sporą rolę odgrywa wilgoć, która nawet w wypadku szczelnej obudowy nieznacznie odstraja antenę, która i tak stroi bardzo wąsko.
Magnetic loop: wykonanie
Prace nad konstrukcją anteny rozpocząłem od wyboru obudowy, w której zamontuję kondensator i do której przymocuję pętlę główną. Po kilku próbach i dłuższych poszukiwaniach mój wybór padł na obudowę AWP261809 w kształcie prostopadłościanu. Najważniejsze jest to, ze jest to obudowa IP65, wykonana z ABS odpornego na promieniowanie UV i zmienne warunki atmosferyczne.W obudowie zamontowałem kondensator, wraz z napędem. Jako napęd wybrałem silnika krokowego MINEBEA 17PM-J244-G1WL połączonego z osią kondensatora za pomocą elastycznego, aluminiowego sprzęgła.
Minebea 17PM to tani, kupiony na Allegro, dwufazowy silnik krokowy z krokiem 1,8 stopnia. Poniżej wymiary i specyfikacja ogólna całej serii. Pierwotna konstrukcja wykorzystywała tani i mały silnik kupony w serwie ebay (za 1 $), również krokowy, ale wyposażony w miniaturową przekładnie. Okazało się, jednak, ze ów silnik jest zbyt słaby, aby poruszać 11-milimetrową osią kondensatora.
Magnetic loop: montaż dużej pętli w obudowie
W wypadku kondensatora powietrznego bardzo ważna jest szczelność obudowy. Toteż musiałem zastanowić się, w jaki sposób wpuścić w obudowę kable pętli głównej. Rozwiązaniem okazały się proste przepusty kablowe. Dodatkowo uszczelniłem jeszcze całość klejem montażowym.
Aby pętla główna była solidnie przymocowana do obudowy użyłem też uchwytów/obejm stosowanych do węży pneumatycznych - B250-5.32. Zaletą takiego rozwiązania była możliwość wyprowadzenia z obudowy dwóch szpilek, służących finalnie do zamontowania anteny na maszcie. Obejmy kupiłem na zamówienie w sklepie www.grene.pl w cenie około 5 złotych za sztukę.
Kabel CellFlex, z którego wykonana została pętla główna musiałem odpowiednio przygotować. Zacisnąłem w imadle odizolowaną żyłę gorącą i ekran po uprzednim wydłubaniu pianki. Następnie nawierciłem w płaskiej sprasowanej, miedzianej blasze trzy otwory, przez które został przepleciony drut miedziany 4 mm2 (z kabla z instalacji elektrycznej). Tak przygotowane połączenie zalutowałem - nie miałem 100 W kolbowej lutownicy, toteż użyłem transformatorówki pomagając sobie stacją HotAir.
Magnetic loop: montaż kondensatora
Następnie przykręciłem kondensator do obudowy - wykorzystany u mnie model miał 3 szpilki M4, wiec pozostało mi tylko wywiercić otwory. Pod kondensator podłożyłem przyklejoną do spodu obudowy na klej montażowy cienką piankę - w celu uszczelnienia konstrukcji. Myślę jednak, że nie jest to konieczne.
Magnetic loop: stelaż pętli głównej
Postanowiłem również zrobić stelaż dla pętli głównej. Użyłem do tego rurek instalacyjnych kupionych w markecie budowlanym - przekrój 1/2 cala. do górnej części obudowy przykręciłem zaślepkę rury uszczelniając ją oczywiście klejem i pianką. Podążając od strony obudowy kondensatora wykorzystałem odcinek prostej rurki, dwóch krzywek, które pozwoliły mi zamontować mniejszą pętlę w jednej płaszczyźnie z dużą oraz u góry trójnika, który po odcięciu górnej części i lekkim rozgięciu utrzymuje pętlę główną. Tak zrobiona konstrukcja jest stabilna i wygląda estetycznie. Finalnie zarówno pudełko jak i rurki pomalowałem czarną farbą do zderzaków w sprayu.
Użyłem jeszcze jednego przepustu kablowego, ale dużo mniejszego, aby wypuścić z obudowy kable do sterowania silnikiem krokowym (zdjęcie po prawej.
Magnetic loop: Mocowanie do masztu
Ostatnim ważnym elementem, który trzeba było zrobić to mocowanie do masztu. W moim wypadku postanowiłem użyć znów dwóch obejm, podobnych do tych, które użyłem wcześniej do przykręcenie do obudowy pętli głównej. Średnica obejmy zależy od średnicy masztu - u mnie wynosiła ona 35 mm. Użyłem dwóch takich obejm - na górze jedna została przykręcona do wystających szpilek, na dole zaś użyłem dodatkowego plastikowego kątownika. Konstrukcja wzmocniona została jeszcze u góry - skręcając ze sobą dwie opaski połączyłem mechanicznie stelaż wraz z masztem.
Tak prezentuje się antena. Jest zamontowana na wysokim parterze (wysokość pierwszego piętra) w gęstej zabudowie, dość nisko. Jak na takie warunki skuteczność jest całkiem niezła. Na 20 metrach USB cała Europa, a w dobrych warunkach udało się mi się również zrobić QSO z USA i Kanadą. Sporo lepiej spisuje się w cyfrowych emisjach - J9 i J65.
Magnetic loop: sterowanie
Zaprojektowany pierwotnie sterownik (na arduino) okazał się niewystarczający. Aktualnie antena została dostrojona ręcznie do 14,078 MHz natomiast kolejna wersja jest w trakcie powstawania. Okazuje się również, ze sprzężenie bezpośrednie kondensatora z silnikiem krokowym nie jest najlepszym rozwiązaniem.Update 02-2017:
Niestety nie jest łatwo znaleźć tego typu zębatki. Użyte przeze mnie znalazłem na ebay'u. Są to dwa koła zębate 60T oraz 20T, co oznacza, że mam przełożenie 3:1. Nie jest to w dalszym ciągu optymalne rozwiązanie, jednak powinno już wystarczyć. Mniejsze koło fabrycznie ma otwór o średnicy 3 mm, co w moim wypadku odpowiada wymaganiom - silnik MINEBEA 17PM-J244 ma do wał o średnicy 3 mm. W wypadku większego koła, do wyboru miałem maksymalną średnicę 6 mm - oddałem ją jednak do zakładu ślusarskiego, gdzie rozwiercono mi otwór do 11 mm.
Postanowiłem zmienić trochę konstrukcję i przykręcić kątownik z zamontowanym silnikiem bezpośrednio do kondensatora. Rama kondensatora ma dwa nagwintowane otwory, wiec rozwiązanie takie wydaje się być najprostsze.
Tak złożona przekładnia działa bez zarzutu, minimalna regulacja ułożenia silnika została zrobiona poprzez rozwiercenie w jednej płaszczyźnie otworów w kątowniku trzymającym silnik.
Postanowiłem także zmienić sposób w jaki wyprowadzony został z obudowy kabel sterujący. Zamiast przepustu kablowego i złącza samochodowego użyłem 6-pinowego hermetycznego gniazda do obudowy, które idealnie pasowało w miejsce, gdzie wcześniej umieszczona była przepustnica kablowa.
W dalszym ciągu brakuje mi porządnego sterownika, choć obudowa jest gotowa, płytka obsadzona, wyświetlacz również. Potrzebuję tylko chwili czasu na napisanie kodu i przykręcenie do obudowy płytek.
