Калькулятор рамочной антенны (полноволновая рамка)

Рамочная антенна

Что такое рамочная антенна

Рамочная антенна — это замкнутый проводящий контур, у которого длина провода по периметру задаёт резонанс. Калькулятор считает полноволновую рамку: её периметр близок к одной длине волны, а форму делают квадратом (его называют «квадрат» или «квад»), равносторонним треугольником (дельта-рамка) или кругом. Такой контур резонирует на рабочей частоте сам, без внешнего конденсатора настройки. По сравнению с полуволновым диполем полноволновая рамка даёт небольшой выигрыш в усилении — примерно 1,5–2 дБ — при более широкой полосе и обычно меньшем уровне принимаемых помех, потому что замкнутый контур сильнее откликается на магнитную составляющую поля, а не на локальные электрические наводки. Рамку ценят и за компактность по высоте: квадрат со стороной около четверти волны занимает по вертикали меньше места, чем полуволновый диполь той же полосы, а замкнутая геометрия делает конструкцию механически жёсткой.

Вы задаёте рабочую частоту и коэффициент укорочения, а калькулятор выдаёт периметр рамки, сторону квадрата и длину волны. В основе три простых соотношения:

λ = 300 / f(МГц)  (м)
Периметр = коэфф. укорочения · λ = коэфф. · 300 / f  (м)
Сторона квадрата = Периметр / 4

Что означает каждая величина

Длина волны λ связана с частотой через скорость света: множитель 300 — это скорость света, округлённая до 300 000 км/с (300 мегаметров в секунду), поэтому λ в метрах равна 300, делённым на частоту в мегагерцах. Ту же величину отдельно считает калькулятор длины волны и частоты. Коэффициент укорочения учитывает, что реальный периметр резонансной рамки чуть больше λ: из-за конечной толщины провода и влияния формы контура его берут в пределах 1,02–1,05 (в поле по умолчанию — 1,02). Чем толще провод относительно периметра, тем крупнее поправка.

Периметр — это полная длина провода в контуре, и именно он определяет резонанс, а не конкретная форма рамки. Сторона квадрата получается делением периметра на четыре и нужна для разметки при постройке квадрат-рамки; для дельты периметр делят на три, а для круга диаметр равен периметру, делённому на число пи. Положение точки питания задаёт поляризацию: запитка в середине горизонтальной стороны даёт горизонтальную поляризацию, а запитка сбоку — вертикальную.

Полноволновая рамка и магнитная рамка

Важно не путать два совершенно разных типа. Полноволновая рамка (её и считает этот калькулятор) резонирует сама, потому что её периметр равен длине волны. Магнитная рамка (малая передающая рамка, small transmitting loop) — иной случай: её периметр много меньше λ, обычно от 1/8 до 1/4 длины волны. Такая рамка ведёт себя как одновитковая катушка индуктивности, и чтобы вывести её в резонанс, параллельно ставят переменный конденсатор — получается высокодобротный колебательный LC-контур.

Плата за компактность — очень высокая добротность Q: полоса магнитной рамки настолько узкая, что при смене частоты её каждый раз подстраивают конденсатором. КПД ограничен омическими потерями — сопротивление излучения у малого контура крохотное, поэтому даже небольшое активное сопротивление провода заметно снижает эффективность. Чтобы уменьшить потери от скин-эффекта, магнитную рамку делают из толстой медной трубки, а не из тонкого провода. Напряжение на конденсаторе настройки достигает киловольт даже при скромной мощности, поэтому там применяют вакуумные или «бабочки»-конденсаторы с большим зазором. Зато у малой рамки резко выраженные нули в диаграмме направленности — на этом основаны радиопеленгация и подавление локальной помехи простым поворотом рамки. Поэтому магнитные рамки популярны там, где полноразмерную антенну поставить негде — на балконе, в поездке, в помещении, — а также как приёмные антенны на низких частотах, где полноразмерный контур был бы непомерно велик.

Размеры для радиолюбительских диапазонов

Значения ниже посчитаны по формуле калькулятора с коэффициентом укорочения 1,02. Это ориентир для разметки — итоговый размер подстраивают по минимуму КСВ уже на месте.

Питание и согласование

Входное сопротивление одиночной полноволновой рамки — примерно 100–130 Ом (у дельты ближе к 100 Ом), тогда как стандартный коаксиальный кабель и большинство трансиверов рассчитаны на 50 Ом. Поэтому рамку почти всегда согласуют. Классический приём — четвертьволновый трансформатор из отрезка коаксиала: согласующее волновое сопротивление равно корню из произведения входного и нагрузочного, и для 50 и 110 Ом это около 74 Ом, то есть подходит стандартный 75-омный кабель.

Есть и другие способы: L-согласование на реактивных элементах или согласующий трансформатор (в том числе балун при переходе с симметричной рамки на несимметричный коаксиал). Качество согласования проверяют по КСВ и return loss: чем ближе КСВ к единице, тем меньше отражённой мощности. Отрезки согласующих линий режут с поправкой на коэффициент укорочения самого кабеля, а их длину привязывают к рабочей частоте через длину волны. Симметричную рамку к несимметричному коаксиалу подключают через балун 1:1, иначе по внешней оплётке потекут синфазные токи и исказят диаграмму направленности.

Частые ошибки

Считают периметр равным ровно длине волны и забывают коэффициент укорочения — рамка выходит немного велика и резонирует ниже нужной частоты. Путают полноволновую рамку с магнитной: пытаются «настроить» резонансную квадрат-рамку конденсатором или, наоборот, ждут от компактной магнитной рамки размеров полноволновой. Игнорируют согласование и подключают 110-омную рамку прямо к 50-омному кабелю, получая повышенный КСВ и потери. Наконец, забывают, что положение точки питания задаёт поляризацию, и антенна оказывается «повёрнута» относительно корреспондента. Ещё одна ловушка — вешать рамку слишком низко над землёй или вплотную к стене и металлу: близкие проводящие предметы сдвигают резонанс и портят диаграмму направленности.

Пример

Возьмём значения по умолчанию: диапазон 2 метра, частота f = 145 МГц, коэффициент укорочения 1,02. Сначала длина волны: λ = 300 / 145 ≈ 2,07 м. Периметр рамки: 1,02 · 2,07 ≈ 2,11 м. Сторона квадрата: 2,11 / 4 ≈ 0,53 м (около 53 см). То есть квадрат-рамка на 2 метра — это контур со стороной примерно полметра и периметром чуть больше двух метров, что совпадает и со схемой рядом с калькулятором.

См. также: диполь / штырь · антенна J-pole · длина волны · КСВ · коаксиальный кабель · все калькуляторы

Как рассчитать рамочную антенну?

Периметр полноволновой рамки ≈ 1λ с небольшой поправкой: P = 1,02·300/f(МГц) метров. Сторона квадрата = P/4. Например, на 145 МГц периметр ≈ 2,11 м, сторона ≈ 0,53 м.

Чем рамка лучше диполя?

Полноволновая рамка даёт небольшой выигрыш в усилении (~1,5–2 дБ), уже по полосе и меньше собирает электрические помехи. Её делают квадратом, треугольником (дельта) или кругом.