antény Laděná magnetická anténamarek.mrak.cz/publications/Dvorsky.pdfantény ST 7/2008 3 Úvod...

antény

3ST 7/2008

ÚvodTento ãlánek popisuje základní princip a v˘-hody specifického typu smyãkové antényzvané magnetická anténa MLA (MagneticLoop Antenna). V textu jsou vyzdviÏeny zá-kladní rovnice vedoucí k praktickému návr-hu antény tohoto typu.

Elementární dipól, jakoÏtozákladní typ antény, není v ur-ãit˘ch pfiípadech vÏdy opti-málním fie‰ením, a to zejmé-na pfii kmitoãtech, kdy je anté-na prostorovû nerealizovatel-ná. Pro pfiijímací anténu mÛÏeb˘t efektivním fie‰ením feri-tová anténa. Pokud se jednáo vysílací anténu, je snad jedi-n˘m fie‰ením právû diskutova-ná „magnetická anténa“ (mag-netic loop antenna). Dostupnépublikace, které se zamûfiují nateorii antén a elektromagnetic-kého pole, ãasto popisují celou‰kálu magnetick˘ch antén vzá-jemnû se li‰ící tvarem (nûkterémohou b˘t ãtvercové, koso-ãtvereãné, ‰esti/osmiúhelníko-vé) nebo zpÛsobem buzení. Aã-koliv nûkteré anténní paramet-ry jsou závislé na tvaru antény,faktem zÛstává, Ïe rozmûr ta-kovéto antény je 3–5 % pracov-ní vlnové délky.

Magnetická anténa (MLA) jespeciálním typem smyãkové an-tény. Pokud srovnáme MLAs klasickou smyãkovou anténounapfiíklad quad, dipólem nebosmûrovou anténou, je MLA pfie-dev‰ím rozmûrovû efektivnûj‰í.Zatímco obvod klasické smyã-kové antény je striktnû rovenpracovní vlnové délce, pro kterou byla an-téna navrÏena, MLA pouÏívá obvod kolem0,1–0,2λ. Nejen malé rozmûry jsou hlavnív˘hodou MLA. V˘jimeãnost MLA spoãívátaké ve schopnosti generovat a zpracová-vat pouze magnetickou sloÏku H elektro-magnetického pole. Díky této vlastnosti jeMLA necitlivá vÛãi elektrické sloÏce elek-tromagnetického pole neÏádoucích (ru‰i-v˘ch) signálÛ.

Popis antény MLAMLA se skládá ze tfií základních blokÛ:hlavní smyãky, ladicího kondenzátorua budicího obvodu, jak vypl˘vá z obr. 1a.

Hlavní smyčkaJak uÏ bylo fieãeno v úvodu, obvod hlavnísmyãky nesmí pfiesáhnout 0,1–0,2.λ, abyMLA generovala pouze magnetickou sloÏ-

ku a byla necitlivá vÛãi elektrické sloÏce elektromagnetického pole. Hlavní smyãkutvofií jeden závit zhotoven˘ napfiíklad stí-nûním koaxiálního kabelu, coÏ je kompro-misní fie‰ení pro první otestování MLA.Profesionální fie‰ení se realizuje napfi. mû-dûnou trubkou. Snahou je minimalizovat

ztráty RL, které nezanedbatelnou míroutvofií skinefekt. Vliv skinefektu sníÏímezv˘‰ením vodivosti povrchu (hliníková,mûdûná/postfiíbfiená trubka) ãi zvût‰enímplochy povrchu pomocí zvût‰ení prÛmûrud trubky hlavní smyãky. V dostupné lite-ratufie lze nalézt rÛzné podoby vzorce pro-v˘poãet indukãnosti závitu MLA. Autoro-vi ãlánku se osvûdãil tvar rovnice, kter˘popisuje indukãnost jednoho závitu vzdu-chové cívky:

L=0,2.U.ln(U/D–1,07) [m, m; µH], kde L je indukãnost smyãky [µH], U je ob-vod hlavní smyãky [m], d je prÛmûr vodi-ãe hlavní smyãky [m].

Pokud navrhujeme MLA pro pásmas velkou vlnovou délkou (napfi. dlouhé ne-bo stfiední vlny), je doporuãeno pouÏít ví-ce neÏ jeden závit hlavní smyãky, jinak bu-dou rozmûry antény velké. Tím se sice

zmen‰í prostorové nároky na MLA, aleklesne tím i „energetická v˘tûÏnost“ elekt-romagnetického pole pfii pfiíjmu. Poãet zá-vitÛ smyãky se fiídí rozmûrem smyãky, na-vrÏen˘m kmitoãtem a hodnotou ladicíhokondenzátoru, nesmí v‰ak zmûnit charak-ter MLA na smyãkovou anténu – stále mu-

sí platit U=0,1–0,2.λ. Indukã-nost pak roste s kvadrátem zá-vitÛ [1]: L’=L.N2, kde L’ je in-dukãnost vícezávitové smyãky[µH], L je indukãnost jednohozávitu [µH].

Ladicí kondenzátorLadicí (pfiesnûji spí‰e dola-ìovací) kondenzátor umoÏ-Àuje zmûnu pracovního kmi-toãtu MLA v relativnû velkémífie. Není problém dosáh-nout pfieladitelnosti 1:4. Mí-ra pfieladûní je dána délkouhlavní smyãky U a samotnouhodnotou kondenzátoru. Propfiijímací anténu mÛÏe b˘tpouÏit klasick˘ laditeln˘kondenzátor, tak jak ho zná-me z rozhlasov˘ch pfiijíma-ãÛ AM, nebo napfi. varicap.Pokud se MLA pouÏívá jakovysílací anténa, je nutno brátna zfietel, Ïe smyãka pfied-stavuje otevfien˘ závit naprázdno, tudíÏ se na koncíchsmyãky objeví vysoké napûtí(v závislosti na pouÏitém vy-sílacím v˘konu). Proto je kla-den znaãn˘ dÛraz na dielekt-rikum pouÏitého kondenzá-toru, respektive na elektric-kou pevnost vzduchové me-zery mezideskami/elektroda-

mi otoãného kondenzátoru. Je také nutnoupozornit na negativní vliv tfiecích kon-taktÛ, jejichÏ pouÏití je u MLA praktickyvylouãeno. ¤e‰ením je pouÏití ladicíhokondenzátoru o 2 a více sekcích (dual),kter˘ má otoãné segmenty (rotor) vodivûspojeny (obr. 2). Jako pfiipojovací bodypak slouÏí statorové ãásti kondenzátoru.Odpovídající hodnota kondenzátoru sepfii známé hodnotû indukãností závituhlavní smyãky L spoãítá z upravenéhoThomsonova vztahu: C=1/(2πf0)2.L [F],

Budicí obvodBudicí obvod mÛÏe b˘t tvofien vazebnísmyãkou, coÏ je men‰í smyãka umístûná uv-nitfi smyãky hlavní, naproti ladicímu kon-denzátoru. Existuje nûkolik zpÛsobÛ jak va-zební smyãku navázat na vedení s charakte-ristickou impedancí 50 W (obr. 3a). PrÛmûr

Laděná magnetická anténa

Obr. 2 Třísegmentový ladicí kondenzátor

Obr. 1 Magnetická anténa – konstrukce (vlevo), náhradní obvod (vpravo)

ladicí kondenzátor

hlavní smyčka

vazebnísmyčka

50Ω vedení

ladicíC

parazitníC

Rr

RL Rg

hlavní smyčka

vazební smyčka

antény

4

indukãní smyãky je obvykle 1/5 prÛmûrusmyãky hlavní (obr. 3a–4). Doporuãenávzdálenost mezi hlavní a vazební smyãkouje 0–6 cm. Právû tato vzdálenost ovlivÀujev˘slednou hodnotu ãinitele stojat˘ch vln(PSV). NejpouÏívanûj‰ím typem napájecíhoobvodu je varianta 5 a 7 na obr. 3a (v detai-lu na obr. 3b). Zvlá‰tní pozornost si zaslouÏíprávû varianta 7, tzv. „gama napájení“, jeÏ umoÏÀuje jednoduch˘m zpÛsobem pfiizpÛ-sobit anténu k napájecímu vedení pomocízmûny délky pah˘lu X (obr. 3b).

Anténní parametry MLA Provedení MLA se vyznaãuje jistou smû-rovostí s vyzafiovacím diagramem ve tva-ru ãíslice 8 (obr. 4). Taková charakteristi-ka umoÏÀuje zaruãen˘ pfiíjem v pfiedo-zadním smûru, zatímco boãní smûr jeznaãnû potlaãen (s prakticky potvrzenoupfiedo-boãní citlivostí aÏ –25 dB [9]).Nutno podotknout, Ïe pokud je MLA na-pájena z jiného neÏ koaxiálního napáje-ãe, ztrácí svoji smûrovost. âinitel kvalitycívky Q je rozhodujícím faktorem udáva-jícím selektivitu v rezonanci (pfii pracov-ním kmitoãtu). Ten mÛÏe u MLA dosa-hovat aÏ hodnoty Q=1000 (coÏ byloprakticky potvrzeno mûfiením). Pokud jesmyãka zatíÏena pfii vysílání vyzafiova-cím odporem, klesající Q zapfiíãiní sní-Ïení selektivity. Velká selektivita MLApotlaãuje vy‰‰í harmonické aÏ o 35 dB(ovûfieno OK1AYQ). Následují anténníparametry popisující MLA (pfievzatoz [3]): – plocha kruhové smyãky je A=πD2/4,– vyzafiovací odpor: Rr=3,38.10–8.(f02.A)2,– ztrátov˘ odpor: RL=9,96.10–4 f0 U/d– úãinnost: η=[Rr/2(Rr+RL)].100 %,– ãinitel kvality:

Q=XL/2.(Rr+RL) ~ f0/∆f ~ f0/B,– smûrová funkce: F=sin2Q,

kde D je prÛmûr hlavní smyãky [m], f0je pracovní kmitoãet MLA [MHz], B, ∆f je‰ífika pásma antény [Hz], d je prÛmûr vo-diãe hlavní smyãky [m], Q je úhel vyzafio-vání v rovinû x,y.

Pfii modelování MLA v simulaãnímprogramu MMANA nebo EZNECv5.0 seukazuje, Ïe dosaÏitelné zisky u magne-tick˘ch antén kolísají zhruba od –1,5 dBdo 3,5 dB (pfii vertikální polarizaci)a v pásmu od –8 dB do 5,5 dB (pfii hori-zontální polarizaci) – vztaÏeno k izo-tropnímu záfiiãi [7].

ZávěrMagnetická anténa je zvlá‰tním typemsmyãkové antény. Se sv˘mi mal˘mi

rozmûry, moÏností zmûny pracovníhokmitoãtu, selektivitou, jistou smûrovos-tí a necitlivostí na elektrickou sloÏku elektromagnetického pole ru‰ení jemoÏno fiíci, Ïe „magnetická anténa“ jev˘hodn˘m (nejlep‰ím) fie‰ením v mís-tech se siln˘m elektrick˘m ru‰ením ne-bo jako pfienosná anténa. Rozdíl v úãin-nosti oproti anténû plnohodnotné délky(pÛlvlnn˘ dipól, GP atd.) umístûné vestejné v˘‰ce je akceptovateln˘. Hlavnív˘hodou zÛstává mobilita, vysoká úãin-nost (vzhledem k mechanické velikosti)a vysoká selektivita zpÛsobená vysokouhodnotou Q. Nev˘hodou je pak nutnostdolaìování MLA na pracovní kmitoãet.To ov‰em dnes lze jiÏ pomûrnû elegant-nû fie‰it pomocí dálkovû ovládaného la-dicího kondenzátoru s krokov˘m mo-torkem. Z vyzafiovací charakteristiky je

patrno, Ïe pro komunikaci v azimutu0–360° musí b˘t MLA doplnûna o an-ténní rotátor. Proto je MLA ãastou alter-nativou v místech s omezen˘m prosto-rem pro anténu „plné“ délky (0,25.λ,0,5.λ atd.) a v místech se siln˘m elek-trick˘m ru‰ením. Z uveden˘ch dÛvo-dÛ se právû MLA stala velmi oblíbe-nou u radioamatérÛ. Uveden˘ typ anté-ny byl také pouÏit jako VKV mobil-ní zamûfiovaã (ãeskoslovensk˘ patent ã. PV 6719-71) [8].

Ing. Marek Dvorsk˘Vysoká ‰kola báÀská Technická univerzita

Ostrava,Fakulta elektrotechniky a informatiky,

Katedra telekomunikaãní techniky, marek.dvorsky.fei@vsb.cz

LITERATURA [1] Pokorný, V.: Radiožurnál 2/2000. Magnetická

anténa pro příjem i vysílání.[2] Small transmitting loop antennas [online], 2000

[cit. 2007-05-10] Dostupný z <http://www.dxzone.com>

[3] Small High Efficiency Loop Antennas forTransmitting. The ARRL Antenna Handbook: TheAmerican Radio Relay League. 1988, č. 15, s. 5–14.

[4] EZNEC [online] 2000 [cit. 2008-02-15], dostupnýna <http://www.eznec.com/>

[5] MMANA [online], 2000 [cit. 2008-02-15], dostupnýna <http://mmhamsoft.amateurradio.ca/mmana/index.htm> a <http://mmhamsoft.amateur-radio.ca/>

[6] AA5TB, Small Transmitting Loop Antennas: Alsoknown as Magnetic Loop Antennas [online],1998, 17. 3. 2008 [cit. 2008-03-18], dostupný na<http://www.aa5tb.com/loop.html>

[7] OK1DMP: Zkušenosti s magnetickou anténou[online], 2006 [cit. 2008-03-18], dostupný na<http://ok1cjb.nagano.cz/www/?ant%E9ny:ant%E9ny_KV:magnetick%E1_ant%E9na>

[8] Procházka, M.: Laděná smyčková anténa provkv. Sdělovací technika. 1973, č. 7, s. 246–247.

[9] Loop Antenna [online], 1998 [cit. 2008-05-06].dostupný na <http://www.ciromazzoni.com/English/Loop%20Antenna.htm>

ST 7/2008

Obr. 3a Různé typy budicích obvodů

Obr. 3b Detail č. 7 „gama napájení”

Obr. 4 Vyzařovací diagram MLA (výstup z programu MMANA)

1 2 3 4

5 6 7 8

1:1

1:1

50 Ω

X Xtoroid

50 Ω 50 Ω 50 Ω

50 Ω 50 Ω 50 Ω50 Ω

PSV

X impedančnípřizpůsobení

Ga: 3,5 dBi = 0 dB (horizontální polarizace)Gh: 1,35 dBdF/B: 0,00 dB; Zadní:Azim. 120 st., Elev. 60 st.Freq: 14,050 MHzZ: 138,335 - j1,470 OhmESV: 2,8 (50,0 Ohm)Elevace: 0,0 st. (volný prostor)

Y0

-3

-10MLA

x x

-20-30

Z0

-3

-10

-20-30

koax 50 Ω

zkratová spojka