Под рамочной антенной подразумевают селективную, узкополосную магнитную антенну, состоящую из находящихся в одной плоскости квадратных петель (витков) проводников и конденсатора. По сути это большой колебательный контур, чувствительный к магнитной составляющей электромагнитного радиосигнала. Рамочная антенна часто используется для частот длинных и средних волн от 50 кГц до 1.6 МГц. Частными случаями рамочной антенны можно считать антенну с ферритовым магнитным стержнем и петлевую антенну, витки которой образуют окружность (перевод статей [1, 2]).

[Теория и практика рамочных антенн]

Рамочная антенна обладает диаграммой направленности в виде восьмерки. Таким образом, кроме селективности по частоте, она может также выбирать источник сигнала по его азимуту.

Как известно, радиосигнал состоит из электрических и магнитных колебаний. Прием магнитной составляющей радиосигнала обусловлен специальной конструкцией рамочной и ферритовой антенн. Телескопическая антенна и полуволновые диполи, в отличие от рамочной антенны, реагируют на электрическое переменное поле высокочастотного сигнала. Из-за этого у магнитных антенн есть значительное преимущество они менее чувствительны к бытовым случайным помехам (компьютер, блок питания и т. д.). Другое преимущество магнитной антенны обусловлено её конструкцией: это колебательный контур с довольно высокой добротностью.

Недостатки рамочной антенны:

1. Рамочная антенна должна быть довольно точно настроена на частоту принимаемого сигнала.
2. Значительные размеры, из-за чего рамочная антенна получила распространение только у профессионалов радиосвязи. Чем больше размер антенны, тем выше её эффективность.
3. Высокое выходное сопротивление.

Итак, рамочная антенна это резонансный LC-контур, т. е. соединенные параллельно катушка и конденсатор.

Для настройки резонансного контура на нужную частоту конденсатор сделан переменным. Линии переменного магнитного поля проходят через витки катушки, и возбуждают в резонансном контуре колебания тока, если частота передачи совпадает или близка к частоте настройки колебательного контура. В колебательном контуре возникает резонанс напряжений и токов. Теперь мы можем подать эту довольно слабую энергию на вход приемника.

Рамочные антенны были особенно популярны в начале эры радио, но после перехода вещания на FM в конце 50-х годов они постепенно ушли в небытие. Тем не менее требовательный слушатель диапазона средних волн несомненно должен обратить внимание на рамочную антенну, так как их характеристики приема исключительно хороши.

[Простой эксперимент]

Оптимальная форма рамочной антенны - круг. Однако такая форма для требуемого размера антенны трудоемка в изготовлении, поэтому ограничиваются формой в виде прямоугольника или квадрата. Для первого эксперимента нам понадобится портативный приемник средних волн, около 20 метров изолированного провода (самые лучшие результаты дает многожильный провод литцендрат [3]), коробка из-под обуви и роторный переменный конденсатор емкостью примерно 500 пФ. Положите коробку на стол, и намотайте по её периметру 20..25 витков. Начало и конец обмотки подключите к статору и ротору переменного конденсатора. Направление витков и полярность подключения к конденсатору начала и конца обмотки не имеют значения.

Поставьте коробку вертикально, и поместите рядом с ней включенный приемник. Настройтесь на какую-нибудь радиостанцию, и после этого покрутите ручку переменного конденсатора рамочной антенны. Вы заметите, что при определенном положении ротора конденсатора прием становится качественнее и громче. Повторите то же самое со станцией на другой частоте, сигнал которой слабее. Вы снова заметите, что прием станции при точной настройке рамочной антенны становится громче.

При повороте ручки ротора конденсатора его емкость изменяется, следовательно также изменяется и резонансная частота контура. Когда прием громче всего, резонансная частота контура совпадает с частотой несущей передающей станции. При резонансе в катушке колебательного контура рамочной антенны создается усиленное переменное магнитное поле, которое индуктивно воздействует на ферритовую антенну, установленную внутри корпуса портативного приемника. Уровень сигнала увеличивается, что покажет индикатор S-метра приемника (если он имеется). Обратите внимание, что положение магнитной антенны приемника относительно рамочной антенны влияет на качество приема - самый большой уровень сигнала наблюдается, когда стержень магнитной антенны направлен перпендикулярно к плоскости витков катушки рамочной антенны. При повороте антенны в горизонтальной плоскости (вместе с приемником) уровень сигнала также меняется. Это демонстрирует направленный характер диаграммы чувствительности рамочной антенны.

[Математический аппарат]

Прежде чем заняться практическим изготовлением рамочной антенны давайте сначала рассмотрим формулы для её расчета.

Как уже упоминалось, рамочная антенна по существу состоит из колебательного контура. Частота резонанса колебательного контура вычисляется по следующей формуле:

              1
f = --------------------
     2 · pi · (L · C)^1/2

Значения частоты получаются в герцах, значения емкости и индуктивности в фарадах и генри. Примеры расчета частоты колебательного контура:

                        1
f = ------------------------------------------
     2 · pi · ((180 · 10^-6)· (499 · 10^-12))^1/2

f = 530 кГц.

                        1
f = ------------------------------------------
     2 · pi · ((180 · 10^-6)· (49 · 10^-12))^1/2

f = 1695 кГц.

Примечание: в Интернете можно найти удобные калькуляторы для расчета параметров колебательного контура, см. [4, 5].

Вы наверное обратили внимание, что в вышеприведенных расчетах индуктивность 180 мкГн подобрана таким образом, что изменением емкости переменного конденсатора от 50 до 500 пФ изменение резонансной частоты охватывает диапазон вещания на средних волнах (СВ или MW). Такие значения индуктивности и емкости были выбраны сознательно, чтобы можно было легче найти конденсатор от какого-нибудь старого лампового радиоприемника. Часто подобный конденсатор состоит из двух секций, максимальная емкость каждой секции составляет 495 пФ.

Теперь нам нужна катушка, её мы изготовим самостоятельно. Это (по крайней мере визуально) самый важный компонент рамочной антенны. Однако рассчитать катушку не так просто. В расчете нужно учитывать как размеры катушки и её геометрию, так и шаг витков. С двадцатых годов 19-го века у нас есть следующие диаграммы, по которым можно примерно рассчитать самые важные характеристики катушки (рисунок из справочника "Tabellen und Formeln fur Radioamateure", von Hans Gunther, Dr.H.Kronke, F.Herkenrath, Frank'sche Verlagsbuchhandlung Stuttgart, 1924).

Примечание: 1 английский фут = 304,8 мм, и 1 дюйм = 25,4 мм. Следовательно, рамка 6 футов высоты с 40 витками и шагом витков 7/16 дюйма получится самым дешевым решением, с фактором эффективности 9.3. Это соответствует высоте рамки 183 см, где 40 витков распределены по рамке с шагом 1.1 см. Антенна такого размера была бы непростой для домашнего изготовления и размещения.

Этот вариант изготовления соответствует оптимальным условиям, базирующимся на качестве катушки и как следствие на качестве колебательного контура. Однако при практической реализации рамочной антенны следует найти компромисс между эффективностью антенны и её возможным геометрическим размером. В приведенном ниже руководстве размеры антенны были уменьшены, чтобы ей можно было проще пользоваться.

[Типы катушек]

На практике можно реализовать несколько вариантов намотки катушки рамочной антенны. Ниже автор [2] дает некоторые готовые варианты катушек, рассчитанные для самой низкой частоты средних волн (531 кГц) и переменного конденсатора 50-500 пФ. В каждом варианте использовалась медная эмалированная проволока диаметром от 1.2 до 1.4 мм, или многожильный высокочастотный литцендрат внешним диаметром от 0.8 до 1.2 мм.

Круглая цилиндрическая катушка, намотанная виток к витку, без зазора между витками:

Индуктивность, мкГн	180
Количество витков	37
Длина намотки, мм	55
Диаметр витка, мм	121
Длина провода, м	14.1

Круглая цилиндрическая катушка, витки которой намотаны с определенным шагом:

Индуктивность, мкГн	180
Количество витков	16
Длина намотки, мм	290
Диаметр витка, мм	643
Шаг намотки, мм	19
Зазор между витками, мм	18

Квадратно-призматическая однослойная катушка:

Индуктивность, мкГн	H	180
Количество витков	w	16
Сторона квадрата грани призы, мм	s	569
Длина диагонали, мм	2·r	643
Шаг намотки, мм	g	19
Длина провода, м	l	14.1

Плоская катушка в виде многоугольника:

Индуктивность, мкГн	H	180
Количество витков	w	16
Количество сегментов	n	8
Средний радиус, мм	r	334
Длина намотки возле угла, мм	ls	300
Внутренний радиус, мм	ri	184
Внешний радиус, мм	ra	484
Сторона многоугольника внутри, мм	si	260
Сторона многоугольника снаружи, мм	sa	685
Длина провода, м	l	33.6
Расстояние между витками возле угла, мм	a	19
Шаг витков возле угла, мм	geck	20

[Практическое руководство по изготовлению рамочной антенны диапазона СВ от DL3RTL]

Основная идея этого варианта реализации основана на выборе разумного компромисса между качеством приема и используемыми материалами, которые можно легко достать.

Провод и старый конденсатор можно найти на любом радиорынке. Подойдет провод в эмалевой изоляции, но лучше всего использовать многожильный литцендрат в шелковой изоляции. Деревянные планки можно взять от упаковок фруктов или мебели, или их можно купить в строительном магазине. 

Вот общий список материалов и компонентов:

Схема для изготовления:

Диапазон перекрытия диапазона частот антенны составляет от 510 до 1750 кГц.

Электрические и механические параметры антенны:

Пошаговое руководство по изготовлению. Сначала сделайте крест из деревянных полос. Для их фиксации автор использовал посередине четыре металлических уголка (см. фотографии).

После этого в каждой полосе сделайте 12 маленьких пропилов для укладки провода. Пропилы лучше делать под небольшим углом к центру катушки, потому что провод после намотки может слегка ослабнуть и вывалиться из пазов. Положите крест на землю и проденьте в пропиленные пазы провод, чтобы получилось 11 витков в большой катушке. Концы катушки подключите непосредственно к клеммам переменного конденсатора, провод должен спускаться к конденсатору на расстоянии не меньше 10 см от катушки.

Совет: при изготовлении антенны как можно меньше используйте паяные соединения, и тем более не следует облуживать медный провод на больших участках. Дело в том, что высокочастотные токи распространяются в основном по поверхности провода, а припой обладает повышенным сопротивлением, и как следствие добротность катушки и всего контура ухудшится. Лучше всего для соединения проводов делать с помощью специальных клемм и концевых втулок, которые применяются в электрике для монтажа. Перед установкой клеммы нужно убедиться, что эмалированная изоляция с провода снята, чтобы обеспечить надежность контакта.

Резонансный контур готов. Но нам еще нужно подключить коаксиальный кабель для передачи сигнала на вход приемника. Если бы мы подключили вход приемника непосредственно к колебательному контуру, то напряжение на нем резко упало бы, потому что входное сопротивление приемника слишком мало по сравнению с сопротивлением колебательного контура в момент его резонанса. Поэтому нам нужно согласовать вход приемника с колебательным контуром с помощью индуктивной связи. Для этого в центре рамки нужно поместить еще один виток, который будет подключен к коаксиальному кабелю. Получится трансформатор сопротивлений с коэффициентом приблизительно 1/10. Подключите к концам витка связи коаксиальный кабель, другой конец которого будет подключен ко входу приемника.

Возможно Вы обратили внимание, что эта антенна не имеет заземления. Так и должно быть, это очень важный момент. Осталось закрепить крест вертикально на подставке, и антенна готова.

Рамочную антенну можно также изготовить и для других диапазонов радиоволн. Автор изготовил антенну с большим количеством витков, чтобы с помощью перемычек можно было перекрывать диапазон от длинных волн (ДВ, LW) до средних волн (СВ, MW). Существуют магнитные антенны на диапазон коротких волн, например такие антенны применяются для военной аппаратуры связи. Но в любительских условиях изготовить подобную антенну очень сложно.

[Ссылки]

1. DIE RAHMENANTENNE IN THEORIE UND PRAXIS site:fading.de.
2. BAUANLEITUNG EINER RAHMENANTENNE site:fading.de.
3. Литцендрат Википедия site:wikipedia.org.
4. Колебательный контур LC site:tel-spb.ru.
5. Расчёт резонансной частоты колебательного контура.
6. Plastic Fantastic Magnetic Loop Linear actuator drive site:vk4zxi.blogspot.com.
7. The "Hula Loop" Medium Wave DX Antenna site:hard-core-dx.com.