Что такое рамочная антенна?
Рамочная антенна — это тип направленной антенны, выполненной в виде одного или нескольких витков провода, образующих замкнутую рамку. Форма рамки может быть различной: прямоугольной, квадратной или круглой. Особенностью такой конструкции является то, что максимальная интенсивность излучения и приема электромагнитных волн наблюдается в плоскости самой рамки. По своей физической природе рамочную антенну часто называют миниатюрным магнитным диполем.
История и сферы применения
Изобретение рамочной антенны в 1916 году приписывается Карлу Брауну. Значительный вклад в её развитие внёс Ли де Форест, который использовал подобные антенны при развёртывании первых радиостанций для военно-морского флота США.
Основные области применения рамочных антенн весьма разнообразны. Они традиционно используются в радиопеленгаторах в качестве приёмных элементов. Кроме того, эти антенны широко применяются в радиовещательных приёмниках, работающих в диапазонах длинных, средних и коротких волн, а также для приёма телевизионного сигнала.
Принцип работы и электрические характеристики
Входное сопротивление классической рамочной антенны имеет индуктивный характер, поскольку периметр её рамки обычно меньше длины рабочей волны. Это свойство позволяет, подключив к антенне конденсатор переменной ёмкости, сформировать колебательный контур, который можно точно настроить на нужную частоту.
Если размеры рамки достаточно малы, амплитуда и фаза тока по всему её периметру остаются практически постоянными. В передающем режиме ток в противоположных сторонах рамки течёт в противоположных направлениях. Это приводит к тому, что излучаемые этими элементами электромагнитные волны сдвинуты по фазе на 180°. В результате в направлении, перпендикулярном плоскости рамки, происходит полная компенсация излучения, что и формирует характерную направленность антенны.
Петлевые антенны для телевидения
В телевизионном приёме часто используются петлевые (рамочные) антенны, такие как «двойной» или «тройной квадрат». Эти конструкции, состоящие из двух или трёх рамок-элементов (вибратора, рефлектора и директора), отличаются простотой, высоким коэффициентом усиления и узкой полосой пропускания.
Именно узкополосность является их ключевым преимуществом перед широкополосными антеннами, так как она обеспечивает высокую избирательность по частоте. Это позволяет эффективно отсекать мешающие сигналы от соседних телевизионных передатчиков.
Конструктивные особенности
Для работы в дециметровом диапазоне волн элементы антенн (рамки) часто изготавливают из медного или латунного прутка диаметром 3–6 мм. Конструктивно элементы соединяются верхней металлической и нижней изолирующей стрелами. К последней, через изолирующую пластину (например, из текстолита), крепятся концы рамки вибратора.
Антенна «двойной квадрат» по усилению примерно на 1,5 дБ превосходит классическую антенну типа «волновой канал» с двумя элементами. Переход к трёхэлементной системе («тройной квадрат») даёт дополнительный выигрыш в усилении около 1,7 дБ. В такой антенне рамки рефлектора и директора замкнуты, а рамка вибратора имеет разрыв для подключения кабеля. Все рамки располагаются симметрично, их центры крепятся к стрелам, и они выстраиваются на одной линии, направленной на источник сигнала.
Настройка и ориентация
Из-за узкого главного лепестка диаграммы направленности рамочные антенны требуют точной ориентации на передатчик. Настройка антенны, в частности согласование рефлектора, часто выполняется с помощью регулируемого короткозамкнутого шлейфа. Оптимальная длина шлейфа обычно примерно на 4% превышает длину стороны рамки вибратора.
Другие конструкции и экспериментальные данные
Существуют и другие конструкции, например, антенны Э. Тафро на основе прямоугольной рамки с соотношением сторон 1:3. Их преимущество — меньшая требуемая высота подвеса при вертикальной ориентации короткой стороны. Эффективность таких антенн можно повысить, добавив активную рамку или директоры.
Эксперименты, например, сравнение четырёхэлементной рамочной антенны, поднятой на высоту 40 метров, с полноразмерной трёхэлементной антенной, показали, что в 90% случаев рамочная конструкция демонстрировала лучшие результаты приёма.