# О резонансах в магнитной рамке и не только.

Александр Васильевич Грачёв

Статья о резонансах в магнитной рамке и других антеннах . Публикуется впервые.

Грачёв Александр Васильевич

О резонансах в магнитной рамке (ML) и не только.


Абсолютное большинство применяемых радиолюбителями антенн КВ диапазона, являются резонансными. Исключением являются лишь апериодические антенны (бегущей волны) и некоторые другие. Наиболее распространенной антенной и при этом наиболее простой конструктивно, является полуволновой диполь и его производные. Видимо поэтому, у многих радиолюбителей сформировалось мнение, что присущие этой антенне характеристики и свойства, такие как входное сопротивление, сопротивление излучения, добротность, вид резонанса, характерная эквивалентная схема и т.д. присущи всем остальным антеннам.


1.

На самом деле, сопротивление излучения диполя, зависящее от соотношения длинны его плеч по отношению к рабочей частоте, имеет периодический характер, а синусовидный график сопротивления излучения имеет определенный угол наклона к оси абсцисс. Такие параметры антенны как, к примеру, входное сопротивление диполя, так же имеют периодическую характеристику.

Очень хорошо это процесс описан в книге Н.М. Изюмова и Д.П.Линде "Основы радиотехники", поэтому во всех дальнейших рассуждениях будем опираться именно на этот источник. Вот как это, описано там:


Изменение входного сопротивления диполя, при изменении соотношения длинны его плеч, по отношению к рабочей частоте, сопровождается изменением вида резонанса на рабочей частоте.


Читаем у Н.М. Изюмова и Д.П.Линде :


Напомню: в последовательном контуре на частоте резонанса, реактивная часть комплексного сопротивления контура полностью компенсирована и равна нулю, активная часть имеет минимальное значение, ток, протекающий через контур, имеет максимальное значение и т.д.

Читаем далее:

Напомню: в параллельном контуре на частоте резонанса, реактивная часть комплексного сопротивления контура так же равна нулю, активная часть имеет максимальное значение, ток, протекающий через контур, имеет минимальное значение и т.д.


2.

В последнее время, такой прибор как антенный анализатор (кратко - АА), стал достаточно распространенным радиолюбительским прибором. Давайте посмотрим, как выглядят графики последовательного резонанса полуволнового диполя (или его производных) полученные с помощью АА.


Выглядят они так:


Вот так:


Или вот так:


На первых двух рисунках, зеленая линия отображает значение активной части комплексного сопротивления диполя, синяя - реактивной составляющей, красная КСВ. На третьем, верхний график это активная составляющая, нижний - реактивная.

На всех трех рисунках хорошо видны, на частоте резонанса, стремящаяся к нулю реактивная составляющая и имеющая минимальное значение активная составляющая.

А вот как выглядят графики основных характеристик антенн, имеющих на рабочей частоте параллельный резонанс:


Вот так:


Или так:


Во много резонансных антеннах, наблюдаются резонансы разного вида, и выглядит это так:

(обозначены черными вертикальными линиями)


Другими словами, наличие в характеристике антенны последовательного либо параллельного, а то и обоих резонансов вместе, не является чем-то исключительным. Это достаточно обычная картина.


3.

Во всех, без исключения, находящиеся в свободном доступе статьях, посвященным магнитным рамкам (ML), при описании принципа работы антенны, в виде эквивалентной схемы однозначно применяется последовательный резонансный контур. Во всех, без исключения, калькуляторах и программах для расчета антенны, сопротивление излучения (активная составляющая) имеют весьма малую величину. Эти расчеты и несколько устоявшихся среди радиолюбителей постулатов, входят в некоторое противоречие с экспериментальными данными полученными членами клуба "MLC" и автором этих строк. К примеру, принято считать, что в любой точке магнитной рамки, ток имеет одинаковое или почти одинаковое значение. Так ли это???

Экспериментально установлено (эти опыты уже стали практически классическими), что в точке рамки, расположенной напротив настроечного конденсатора, находится точка с минимальным напряжением (нулевым потенциалом), по мере удаления от этой точки и приближения к конденсатору, потенциал растет и на пластинах конденсатора достигает максимальной величины. Кроме того, экспериментально установлено, что в точке с нулевым потенциалом наблюдается максимальное значение тока, который уменьшается по мере приближения к конденсатору.

Другими словами, в ML наблюдаются типичные процессы стоячих волн, и в этом она ничем не отличается от классического диполя.


Так же как в диполе, в ML, по мере удаления от точки с нулевым потенциалом вместе с ростом потенциала происходит уменьшение тока протекающего в рамке. Но в отличии от диполя, он не будет иметь нулевое значение на концах рамки, поскольку концы рамки замкнуты между собой емкостным сопротивлением конденсатора настройки. /Впрочем, распространенное утверждение о нулевом значении тока, на концах диполя, тоже не слишком справедливо, поскольку и у диполя, между лучами, существует заметная емкость./ Через емкость этого конденсатора, будет течь ток, величина которого будет определяться емкостью этого конденсатора, частотой приложенного к этому конденсатору напряжения, и мощностью подводимой к антенне. Но ток этот будет иметь значительно меньшее значение, чем в точке нулевого потенциала.

Даже если принять затраты мощности на излучение равными нулю, то можно утверждать, что ток в ML, не может иметь одинаковое или почти одинаковое значение, по всей длине антенны в силу закона сохранения энергии. Если напряжение, на каком либо участке антенны увеличивается, то ток просто обязан снижаться на этом участке. Зависимость проста - " Чем больше напряжение, тем меньше ток". Все это вполне логично, подтверждается опытами и ни каких других доказательств не требует.


4.

Теперь давайте посмотрим, что показали измерения магнитной рамки (ML).

Ниже приводится фрагмент текста статьи, части первой "Исследования рамочно-лучевой антенны UA6AGW."


Рис 3


"Вот и первый сюрприз! Обратите внимание, как интересно (черные стрелки) ведет себя, график активного сопротивления (зеленая линия). Этот график, очень напоминает график полного сопротивления кварцевого резонатора, из книги В.Г. Бодиловского "Справочник молодого радиста", где показаны частоты последовательного и параллельного резонанса.


Увеличим разрешение до 10 кГц.


Рис 4


Картина стала ещё более "контрастной". Вблизи частоты минимального КСВ (его абсолютное значение, нас пока, не интересует), имеются значения минимального, стремящегося к нулю (стрелка внизу) и максимального, стремящегося к значению 300 Ом (стрелка вверху), активного сопротивления"

Именно эти исследования привели меня к пониманию того, что магнитные рамки не достаточно изучены. Именно поэтому, я обратился за помощью к членам клуба. Наиболее активную помощь оказал UR3IEN (tnx друзья, tnx Олег!!!). Ниже приводится график, полученный им, в ходе разработки магнитной рамки для диапазона 2 метра.


На этом графике, так же как и на графиках полученных мной, ниже частоты параллельного резонанса имеется точка, где импеданс антенны имеет минимальное значение (обозначены черными стрелками). Т.е. в этой точке наблюдаются все признаки последовательного резонанса. Здесь нужно добавить, что практически во всех многочисленных, проведенных мной измерениях, наряду с параллельным резонансом наблюдался последовательный, но минимум КСВ приходился на точку с параллельным резонансом либо на скат характеристики параллельного резонанса.


Странно, но на просторах интернета, довольно сложно найти графики магнитных рамок сделанные с помощью АА. Приложив немало усилий, я все-таки, по адресу: http://www.nonstopsystems.com/radio/frank_radio_antenna_magloop-small.htm, в статье с названием: "Portable Magnetic Loop Antenna for 40-20 mtr", нашел очень красноречивые графики. Ниже приводятся эти графики.


Первый, второй и четвертый (сверху вниз) графики однозначно показывают, у этой антенны, на обозначенных частотах, наличие параллельного резонанса. Это вполне совпадает с полученными в нашем клубе результатами. Но это противоречит общепринятому мнению, о работе ML в режиме последовательного резонанса.

Зато, третий и пятый графики так же однозначно, показывают наличие последовательного резонанса.


5.


На основании вышеизложенного исследования можно сделать, первые (вполне очевидные) выводы:


1. Общепринятое мнение о наличии у магнитной рамки только последовательного резонанса - не верно.

2. В большинстве случаев, антенна работает (КСВ имеет минимальное значение) на частоте параллельного резонанса.

3. В некоторых случаях, ML работает с использованием двух видов резонанса, в зависимости от частоты настройки.


Конечно, делать окончательные выводы из предпринятого исследования пока рано, и эта статья больше ставит вопросов, чем дает на них ответов. Но, как известно "Правильно поставленный вопрос- половина ответа".


Грачёв Александр \UA6AGW\

г. Краснодар