Самодельные антенны: уличные, домашние. Цилиндрическая спиральная антенна Простая антенна для Wi-Fi из металлической банки

Этот тип антенн хорошо подходит для дальнего приёма эфирного телевизионного цифрового сигнала. Подкупает простота изделия, всего две основные детали: отражатель из снегоуборочной лопаты и спираль из мотка силового провода. Ни одного паяного соединения, всё на винтах и скрутке. Нет сложных согласующих элементов. Тем не менее, коэффициент усиления конструкции достигает более 10 дБ, что позволяет использовать её в некоторых случаях без усилителя. Именно на эту антенну без усилителя я принял за городом цифровой телевизионный сигнал.

Хочу напомнить, что любая дециметровая антенна годится для цифрового канала вещания, разница будет только в дальности приёма. Но не всякая антенна обеспечит максимальный коэффициент усиления и согласования именно на нужной частоте. Какая бы сложная антенна не была, она имеет провалы и пики усиления во всём своём диапазоне принимаемых частот.

Именно спиральные антенны следили за полётом первого космонавта Юрия Гагарина.Когда первые советские луноходы, ориентируя спирали, бороздили поверхность Луны, я мечтал сделать такую же космическую антенну.

Фото 2.

Нет ничего хуже незавершенных дел. За основу выбираю самую простую из всех типов спиральных антенн. Это однозаходная, спиральная, цилиндрическая (бывает ещё коническая), регулярная, то есть с постоянным шагом намотки или одинаковым расстоянием между витками. Таким образом, уже название антенны говорит о её конструкции. Именно такую конструкцию впервые предложилKraus J .D .

«Helical beam antenna ». – «Electronics », 1947 год. V 20, N 4. Р. 109.

Рекомендую для радиолюбителей лучшую настольную книгу «Антенны», издание 11, том 2. Автор Карл Ротхаммель. В книге собрано много практического материала почти всем видам антенн. Характеристики, параметры, практические расчёты, рекомендации.

Из этого издания я привожу характеристики спиральной антенны.

Рис. 1.

Необходимо узнать на какой частоте в вашем регионе идёт цифровое вещание и значение этой частоты перевести в метры. Длина волны в метрах = 300 / F (частота в МГц).

Для московских частот вещания двух цифровых пакетов, я выбрал среднюю частоту 522 МГц, что соответствует длине волны лямбда 57 см. В этом случае диаметр витка равен D = 17,7 см, расстояние между витками 13,7 см, расстояние от экрана до витка 7,4 см, а ширина экрана должна уложиться в 35 см.

В качестве экрана (отражателя) мне потребовалась неправильная снегоуборочная лопата из красивой блестящей нержавейки, постоянно гнущейся под тяжестью снега. Практика показывает, что отражатель не обязательно должен быть круглым, а делать сторону квадрата более двух диаметров витка спирали нет смысла.Спираль я сделал из сетевого силового провода диаметром около 2 мм, используя одну изего жил, не снимая с неё изоляцию, так как она прозрачна для радиоволн, а медная проволока не окисляется в ней под воздействием внешней среды. На практике толщина провода оказалась почти в 5 раз меньше теоретической, вот почему диапазон антенны получился узким. В дециметровом диапазоне антенна примет хорошо только несколько телевизионных станций аналогового вещания, тем не менее, два цифровых пакета, распложённых рядом по частоте вполне уместятся в полосе её усиления. Ещё потребуется 75-Омный коаксиальный кабель с разъёмом. Не рекомендую сильно увлекаться длиной кабеля, особенно если антенна без усилителя, так как в его каждом метре теряется от 0,5 до 1 дБ усиления и длинному кабелю потребуется согласующее устройство. В своей конструкции я использовал 3-и метра кабеля.

Рис. 2.

Всего-то дел, намотать спираль, подсоединить к проводнику спирали кабель и прикрепить всё это к полотну лопаты. Но диэлектрического цилиндра нужного диаметра для фиксации провода спирали у меня не оказалось, и поэтому в качестве каркаса я использовал рейки и лист сухой фанеры, перенеся на неё размеры антенны с эскиза. Было бы круче, если бы использовались черенки от лопат вместо реек и фанеры, но я собирал только макет, и мне было удобно сделать всё на фанере. Когда обечайка стала обволакиваться проводом, самоделка была похожа на корпус летательного аппарата. Со стороны это выглядело менее безобидно, если бы я стал гнуть витки из медной трубки, как хотел раньше. Как я уже говорил, такую антенну удобно спрятать под конёк дома с крышей из мягкой кровли, андулина или шифера, прозрачной для радиоволн.

Фото 3. Испытание макета антенны.

Для проверки антенны я использовал комнату мансарды, где с помощью лестницы приподнял самоделку поближе к потолку. В этом месте раньше работала Место испытание тоже. Владимирская область, 90 км на восток от Останкино. Теперь здесь работает спиральная антенна без усилителя. Она «видит» телецентр через: вагонку, пергамин, 10 см базальтовой ваты, доску обрешётки, фанеру OSB , подстилочный ковёр, чешую мягкой кровли и сгусток гвоздей разной длины.Остаётся закрепить её ещё выше, под конёк дома или разобрать, ведь это всего только макет.

Фото 5. Размер и шаг предыдущих конструкций антенн почти совпадают.

Для улучшения параметров антенны не помешает применить согласующее устройство – трансформатор, обеспечивающий переход с сопротивления антенны равного 180 Ом на коаксиальный кабель с сопротивлением 75 Ом. Это пластинка из тонкой меди в виде треугольника, расширяющегося к экрану. Место крепления пластинки и её размеры я подобрал экспериментальным путём, применив две пластмассовые прищепки. В домашних условиях это легко сделать с помощью телевизора, спустив антенну на более низкий уровень, при котором изображение будет «заснеженным». Необходимо двигать, поворачивая пластинку, и на слух, по уменьшению уровня шума в аудио канале при приёме аналогового сигнала, близкого по частоте к цифровому пакету, определить её местоположение. После чего запаять.

Несмотря на нелепость формы у этой антенны есть преимущество. Она без усилителя, который после разрядов молний часто вылетает. На практике два раза усилители выходили из строя во время грозы у наружных антенн, расположенных в 30-и метрах от столба воздушной электропроводки, в который попадали молнии. У антенны расположенной под крышей дома, в шести метрах от столба-разрядника, случаи выхода усилителя из строя не зарегистрированы.

Может выйти из строя блок питания самого усилителя, так как он, как правило, всегда под напряжением и ресурс его ограничен.

Ещё одно преимущество в том, что дальность этой антенны с усилителем будет больше, на сколько, проверьте сами.

Дополнение. Изменение конструкции антенны.

В этом году (2015) я решил доработать самодельную конструкцию спиральной антенны, используя вместо провода металлопластиковую трубку (металлопласт) диаметром 16 мм. Ранее собранные антенны уже прошли аналогичную операцию и заметно оживились. Претерпела оздоровление и спиральная антенна, но не обольщайтесь, прирост уровня сигнала составил только 10 процентов, а качество сигнала осталось на том же стопроцентном уровне.

Фото 7. Старая антенна.

Фото 8. Изменение конструкции.

Давно хотел сделать антенну, используя в качестве материала трубку. Останавливала схожесть с самогонным аппаратом и высокая себестоимость. Но вот материал найден и уже испытан на простых антеннах. Это легко гнущаяся трубка из высококачественного алюминия, обтянутого со всех сторон пластиком, продаётся на всех строительных рынках для прокладки водопровода.

Фото 10. Новая конструкция.

Фото 9. Банка - оправка.

Экономический

расчёт антенны.

Этот сложный расчёт мне пришлось проделать, зайдя в магазин «Всё для дома», на самой окраине Подмосковья и увидев металлопласт по цене 45 руб. Длина волны, частоты вещания, длина круга, число витков, усиление антенны….

4 метра выпалил я на кассе, подведя итог экономической части проекта. Себестоимость антенны не должна превысить минимальную акцизную стоимость бутылки водки.

Расчёт антенны.

Чисто по экономическим соображениям получилось 6,5 витков, на полвитка меньше предыдущей проволочной самоделки. Так же между витками я взял расстояние равное четвёртой части длины волны. Аналогичным образом подсчитал длину одного витка, но по практическим соображениям, уже имея опыт по изготовлению простых петлевых антенн, скорректировал зависимость металлопласта от частоты, сократил длину витка на 1,5 см. Так же подсчитал диаметр оправки, поделив скорректированную длину витка на 3,14. С учётом толщины трубки диаметр оправки взял на 8 мм меньше.

Регулировка.

Она заключалась в измерении КСВ (коэффициента стоячей волны) . Первоначально я измерил старую самоделку. Странно, но прибор заявлял об отличном согласовании с 50 Ом нагрузкой (КСВ = 1,5). С доработанной антенной тоже всё совпало, правда, при запитке с края полотна. Но конструктивно, уже впоследствии, я задействовал кабель по центру и КСВ упал до 2. Очень полезным оказался простенький самодельный КСВ-метр, совмещённый с самодельным генератором, настроенным на цифровые частоты вещания. С его помощью я смог не только определить КСВ антенны, но и проверить её работоспособность, когда каждый виток реагировал на подносимую крышку от кастрюльки качанием стрелки микроамперметра.

Итоги.

Изменение конструкции добавило прирост усиления на 10 процентов, и это при том, что в антенне на пол витка меньше. В целом она принимает программы в дециметровом диапазоне, работая в аналоговом режиме, не хуже антенны типа «волновой канал» (Уда – Яги), включающей в себя 12 директоров и усилитель с заявленным усилением не менее 26 дБ. Обе антенны расположены в одинаковых условиях на одном уровне от земли. Разница лишь в том, что работа покупной антенны, при приёме эфирного цифрового сигнала, зависит от погоды и времени дня, симулируя ухудшение прохождения радиоволн характерным крякающим звуком и зависанием телевизионных картинок, а то и полным отсутствием изображения. Радиоприём с самодельной антенной всегда постоянен.

Но в целом я остался недоволен данной конструкцией, поскольку ожидал от неё нечто большего, исключительно исходя из её габаритов и затраченных средств. Сравнивая эту спиральную антенну с предыдущей конструкцией , состоящую всего из двух фазируемых колец идентичного диаметра, сделанную из того же материала, я не нашёл существенного выигрыша, сравнивая их по уровням приёма.

Два фазированных кольца и шесть закрученных в спираль, дают усиление в теории 6 дБ и 10 дБ. Два кольца на открытом воздухе и 6,5 колец под крышей, на одинаковом уровне от земли и при практическом одинаковом уровне усиления в процентах. Может крыша и съела разницу в 4 дБ, а может реально трудно заметить эту разницу? В тоже время не выставлять же этот змеевик на улицу, открывая этим тему для лишних разговоров.

Упал ли я духом? Нет! Радиолюбительство - источник удовольствия. Займитесь радиолюбительством, ведь это интересно. Возможно, результат у вас будет лучшим.

Скорее всего, я ещё вернусь к этой спиральной антенне, ведь не заснула же она, кода антенна «волновой канал» перестала принимать эфир.

Использование: в антенной технике. Сущность изобретения: даны соотношения для определения диаметра проводника токопроводящей однозаходной цилиндрической спирали, числа ее витков, угла намотки и длины витка. 1 з. п. ф-лы, 3 ил. 1 табл.

Изобретение относится к антенной технике, а конкретно, к цилиндрическим спиральным многовитковым антеннам с эллиптической и круговой поляризацией излучения и может быть использовано в системах космической связи метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов длин волн, в частности, в отражателях зеркальных радиотелескопов, в фазированных антенных решетках и т.п. Современный уровень техники в данной области характеризуется широким использованием цилиндрических спиральных антенн осевого излучения. Классическим техническим решением в данной области является цилиндрическая спиральная антенна осевого излучения, состоящая из активной цилиндрической спирали, расположенной над металлическим экраном (см. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и излучающих элементов. Под ред. профессора Д. И.Воскресенского. М. Советское радио, 1972, с.241, рис. 9.5б). В такой антенне преобладает волна тока типа Т 1 , фазовая скорость которой меньше скорости света. В указанной антенне диаметр диска экрана принимают равным (0,9-11), а диаметр провода спирали (0,03-0,05) ср, где ср средняя длина волны заданного диапазона (см. упомянутый источник, с.256). Ширина диаграммы направленности антенны в силу указанных конструктивных особенностей и особенности распространения бегущей волны тока, рассчитанная по уровню половинной мощности (см. там же, с.248) обычно не превышает 60 о, что сужает область качественного приема-передачи сигналов, например, облучателей зеркальных антенн. Известные цилиндрические спиральные антенны, как правило, рассчитываются с учетом вышеприведенных рекомендаций, что накладывает указанные ограничения. Так известна спиральная антенна, содержащая однозаходную цилиндрическую спираль, установленную над металлическим экраном, коаксиальный волновод, внешний проводник которого соединен с экраном, а внутренний с началом однозаходной цилиндрической спирали (см. а.с. СССР N 1246196, кл. H 01 Q 11/88, опублик. 23.07.86). Имеющаяся в известной антенне опорная диэлектрическая труба с изменяющейся толщиной замедляет и уменьшает интенсивности бегущих волн тока, препятствуя тем самым увеличению ширины диаграммы направленности. А предлагаемый выбор традиционных соотношений для расчета конструкции, в частности, диаметра проводника спирали, не обеспечивают возможности существенного увеличения ширины диаграммы направленности. В известной спиральной антенне, содержащей активную спираль, соединенную с фидером и расположенную над металлическим экраном (см. а.с. СССР N 1626294, кл. H 01 Q 3/24, опублик. 7.02.92), возможно незначительное изменение, в том числе и увеличение, ширины диаграммы направленности (ДН) антенны за счет нагрева активного диэлектрика и изменения его диэлектрической проницаемости. Однако использование нагревающей диэлектрик токами низкой частоты спирали с одной стороны усложняет конструкцию антенны, а с другой приводит к искажению ДН, увеличению уровня боковых лепестков. Возможности расширения ДН при этом незначительны, поскольку выбор конструктивных элементов основан на традиционных подходах, а изменение диэлектрической проницаемости не может быть осуществлено в широких пределах, причем данный параметр не является определяющим для конструкции и ее характеристик, в частности, ширины ДН. Известно, что ширина ДН по уровню половинной мощности при фиксированной длине волны определяется в основном длиной витка спирали и шагом цилиндрической спирали (см. например, упомянутую книгу под ред. Д.И.Воскресенского, с. 248). Влияние других конструктивных параметров цилиндрической спирали, в частности, толщины проводника слабо исследовано. Предполагается, что проводник должен быть достаточно тонким, чтобы не учитывалось влияние его толщины на расчетные соотношения, и в то же время проводник должен быть жестким и прочным, чтобы не нарушать целостность конструкции, сохранять ее форму и прочность. Так в статье К. К. С.Джемвала и других "Анализ конструкции спиральных антенн с оптимизированным усилением для полосы частот в Х-диапазоне" рекомендуется диаметр проводника спирали выбирать равным 0,017), где -длина волны (см. K.K.S.Jamwal and Renu Vakil. Design analysis of gain-optimizedhelix antennas for X-band freguencies. // Microwave Jornal, 1985, september, р. 177-183). Для многовитковых спиральных цилиндрических антенн дециметрового диапазона минимальный диаметр проводника в долях длины волны может быть выбран 0,005 . Цилиндрическая спиральная антенна, в которой используется проводник указанной толщины, выполнена в виде цилиндрической спирали, подключенной к питающему фидеру и размещенной над отражающим экраном. Минимальный рекомендуемый диаметр проводника спирали является решающим признаком при выборе указанной цилиндрической спиральной антенны в качестве прототипа. Известная цилиндрическая спиральная антенна является многовитковой с числом витков N больше 6 (6N15), и углом намотки (подъема витка) , изменяющемся в пределах 12 о 15 о, при длине витка, близкой к и является антенной осевого излучения. Проведенный в статье анализ известной антенны свидетельствует о том, что ширина ее ДН не превышает 60 о. При этом форма диаграммы направленности существенно отличается от секторного типа, близкого по виду к диаграмме направленности изотропного излучателя, что в ряде случаев предпочтительней в технике связи. Данным техническим решением впервые решена и поставлена задача создания цилиндрической спиральной антенны осевого излучения с круговой и эллиптической поляризацией излучения за счет использования сверхтонких проводников в цилиндрической спирали. Основной технический результат достигаемый от использования предлагаемого решения заключается в увеличении ширины ДН антенны по уровню половинной мощности. Дополнительный технический результат предлагаемой антенны заключается в получении ДН секторного вида, т.е. близкой по форме переднего фронта к диаграмме направленности изотропного излучателя. Достижение основного технического результата обеспечивается тем, что цилиндрическая спиральная антенна, содержащая токопроводящую однозаходную цилиндрическую спираль, соединенную с питающим фидером и расположенную над отражающим экраном, имеет максимальный поперечный диаметр проводника d спирали, удовлетворяющий соотношению110 -7 d110 -4 ,где - длина волны. Достижение дополнительного технического результата обеспечивается тем, что цилиндрическая спиральная антенна имеет следующие параметры: 3N8,13 o 14,5 o ,0,95L 1,1, 110 -6 d110 -5 где d, N, , L соответственно диаметр проводника, число витков, угол намотки, длина витков цилиндрической спирали, а длина волны. В предлагаемой цилиндрической спиральной антенне реализован режим осевого излучения с эллиптической поляризацией излучения при достижении максимально широкой диаграммы направленности. Впервые теоретически и экспериментально установлено, что использование сверхтонких проводников цилиндрической спирали позволяет существенно увеличить ширину ДН по половинной мощности в диапазоне длин волн от метрового до сантиметрового включительно. Установлено, что для многовитковых цилиндрических спиралей с числом витков не менее 3, рассчитанных для длины волны тока типа Т 1 использование сверхтонких проводников с диаметром 110 -4 и менее приводит к расширению ДН антенны. Причем для диапазона 3N15,12 o 15 o ДН сохраняет осевой вид без существенных искажений формы. Для крайних значений N(N 1 =3,N к =15),( 1 =12 o , к =15 о) и L 1 ширина ДН по сравнению с прототипом увеличивается на 25-40% а изменение при этом L от 0,7 до 1,4 изменяет ширину ДН на 10-12% Приводимая таблица иллюстрирует изменение ширины ДН цилиндрической антенны по уровню половинной мощности 2 0,5 для N 38, d=1314,5 o ; L (0,951,1) от диаметра d проводника цилиндрической спирали, выраженного в долях длины волны, при этом коэффициент эллиптичности излучения не менее 0,5. На фиг.1 схематически изображена предлагаемая цилиндрическая спиральная антенна; на фиг. 2 диаграмма направленности антенны в сферической системе координат (кривая 1) при N 6, = 14 о, L=1,d=110 -5 на фиг.3 зависимость коэффициента эллиптичности от угла наблюдения (кривая 2) в декартовой системе координат для антенны с указанными на фиг.2 параметрами. Следует иметь в виду, что сектораня форма диаграммы направленности, изображенная на фиг. 2 сохраняется для параметров N,, L, d, приведенных в таблице в диапазоне диаметров d=(110 -5 110 -6) При других значениях d происходит искривление фронта ДН и вытягивание его вдоль оси. Предлагаемая цилиндрическая спиральная антенна (см. фиг.1) содержит однозаходную цилиндрическую спираль 1 из металлического проводника диаметром d= (110 -4 -110 -7), соединенную с центральным проводником питающего фидера 2, металлический экран 3, гальванически связанный с обмоткой фидера. Проводник с целью сохранения жесткости конструкции приклеен к диэлектрическому цилиндрическому радиопрозрачному каркасу (не показан). Предлагаемая антенна работает следующим образом. В запитываемой через фидер 2 цилиндрической спирали возбуждается бегущая волна тока типа Т 1 спадающей амплитуды. Амплитуда бегущей волны тока до конца второго витка равномерно уменьшается примерно в 2,5 раза, а области от конца второго витка до 0,5 от конца спирали уменьшается примерно в 3 раза. На расстоянии 0,5 от конца спирали возникает стоячая волна, амплитуда которой не превосходит амплитуду тока на конце второго витка. При этом вдоль всего проводника цилиндрической спирали от точки возбуждения до 0,5 от свободного конца волна тока распространяется с фазовой скоростью, почти равной скорости света. Бегущая волна тока и стоячая волна тока излучают электромагнитные волны, которые, складываясь в дальней зоне, формируют диаграмму направленности антенны. Благодаря спадающему характеру и распространению бегущей волны тока со скоростью света происходит формирование более широкой ДН, в частности ДН секторного вида. Согласно известным условиям Хансена-Вудъярда (см. например, Уолтер К. Х. Антенны бегущей волны. Под ред. А.Ф.Чаплина, М. Энергия, 1970, с.448) для формирования остронаправленного излучения необходимо, чтобы в антенне бегущей волны существовала замедленная волна, т.е. присутствовал набег фаз. А в предлагаемом случае это условие не выполняется, поскольку в ЦС вдоль сверхтонкого проводника распространяется волна с фазовой скоростью, почти равной скорости света. Это и приводит при определенном соотношении параметров антенны к формированию ДН в виде сектора с почти равномерным излучением. Экспериментально предлагаемая цилиндрическая спиральная антенна проверена для ср 1,5 м. Величина металлического экрана при этом составляла 1,1 ср. Широкополосность полученной антенны 10%

На частотах выше 300 МГц и выше широкое применение находят цилиндрические спиральные антенны бегущей волны. Один из вариантов исполнения спиральной антенны приведён на рис.1. Она представляет собой спираль диаметром D и шагом намотки S , и металлического рефлектора, выполненного в виде диска или квадрата с размером ≈2D .

В зависимости от геометрических параметров (электрической длины периметра витка с и электрической длины шага спирали S ) спиральной антенны, в ней могут возбуждаться различные типы волн (моды). Наибольшее значение на характер излучения антенны оказывает фазовое соотношение между соседними витками спирали.

Нас интересует волна Т1 (рис.2), для которой характерно отличие на 360 градусов фазы токов на соседних витках.

Волна Т1 образуется при электрической длине периметра витка, близкой к длине волны λ , при этом спиральная антенна работает в режиме осевого излучения (максимум излучения совпадает с осью спирали).

Оптимальные размеры спиральной антенны:

• Диаметр витка D=λ/π
• Шаг спирали S=0,25λ
• Угол спирали α=12°

Входное сопротивление антенн, при условии 12°≤α≤15° , 0,75λ<с<1,33 λ и количестве витков n>3 равно:

RА ≈140·с/λ (ом)

Ширина основного лепестка диаграммы направленности по уровню половинной мощности:

θ0,5 =52 ·λ/с ·√nS/ λ (градусов)

На рис.3 изображён результат расчёта диаграммы направленности спиральной антенны в вертикальной и горизонтальной плоскости с помощью программы MMANA .

Рис.3 Диаграмма направленности спиральной антенны.

Цилиндрические спиральные антенны, работающие в режиме волны Т1 имеют круговую поляризацию. При приёме сигнала антенной с линейной поляризацией (вертикальной или горизонтальной) сигнал будет ослаблен на 3дБ (в два раза). Чтобы этого избежать, можно использовать систему из двух спиральных антенн с противоположным направлением намотки спирали и питаемых синфазно, расположенных на расстоянии 0,5 λ или 1,5 λ (рис.4).

Входное сопротивление такой антенной системы будет равно 67,6 ома, что хорошо согласуется с волновым сопротивлением коаксиального кабеля (КСВ 1,1 и 1,35 для 75 и 50 омного кабеля соответственно). Волновое сопротивление однопроводной линии (рис.5) участка ab должно соответствовать входному сопротивлению спиральной антенны (≈140ом). Для этого необходимо выдержать соотношение e/d равным ≈2,75.

Для согласования одиночной антенны или антенной системы, состоящей из трёх и более антенн в данном случае можно использовать экспоненциальный согласующий трансформатор, конструктивно выполненный в виде полосковой линии (рис.6). У экспоненциальной линии волновое сопротивление изменяется вдоль её длины по закону:

Z 0 (x)=Z 01 e bx , где

Z 01 - волновое сопротивление линии на входе

Z 0 (x) - волновое сопротивление линии в сечении, расположенном на расстоянии х от её начала

b - параметр, показывающий скорость изменения волнового сопротивления линии

В зависимости от КСВ и известного отношения Z02 /Z01 волновых сопротивлений в конце и в начале линии её минимальную длину расчитывают по формуле:

, где ;

На рис.7 изображён экспоненциальный согласующий трансформатор, расчитаный на согласование сопротивлений 140 ом и 50 ом на частоте 2450 МГц при КСВ 1,2. Расстояние e равно 7 мм, диэлектрик - воздух (ε=1), толщина материала d 1 мм.

Благодаря высокому коэффициенту усиления и стабильности электрических параметров, ввиду невысокой чувствительности к внешним факторам и отклонениям в геометрии, цилиндрические спиральные антенны могут найти широкое применение в системах связи и безопасности для организации дальней связи.

Литература

Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ.

Беньковский З., Липинский Э. Любительские антенны КВ и УКВ.

Уронов Л.Г.

ООО «ТехноСфера», 2011 г.

Этот комментарий, который я приведу ниже по тексту, решил выделить отдельной статьёй. У его автора получилась спиральная антенна, которая в наихудших условиях приёма обеспечила работу одновременно двум телевизорам, причём без усилителей и разветвителей. Он назвал свою конструкцию БИСПИРАЛЬНОЙ, хотя такое название уже сочетается с двойной спиральной и с двух спиральной антеннами, которые представлены в разных вариантах и в разных функциональных назначениях. Однако из приведённого примера, вы поймете, что это нечто другое, которому ещё необходимо придумать название.

БИСПИРАЛЬНАЯ
Продавец отговаривал от покупки приёмника DVB –T2: «Принесёшь обратно – не ловится у нас!» Между источником и моим городом 35 км. Расстояние не угрожающее, но поперёк устроены три линии ЛЭП-500, ЛЭП-750 – источники помех. Кроме этого, прямой сигнал загорожен возвышенностью с плотной застройкой 16-тиэтажками. 31-й (551 МГц) и 51-й (714 МГц) частотные каналы.
Первой была изготовлена и испытана двух кольцевая антенна. Она помогла нащупать единственный вариант направления приёма, показала «проблески» ТВ-сигнала, отражённого под острым углом от девятиэтажного дома, стоящего в полу километре .

Изготовил 7-витковую спиральную антенну, рассчитанную на 31-й канал. Основой каркаса служат 4 отрезка полипропиленовой водопроводной трубы (малый тангенс!), для квадратной спирали – одиночный медный многожильный провод сечением 4 кв. мм в виниловой изоляции, пятиметровый кабель. Результат вполне устроил, уверенный приём обоих пакетов. Пробовал сделать подобную антенну по размерам 51-го канала (714 МГц), результат – 31 канал она «не ловит». Отсюда сделал вывод: расчёт спиральной антенны следует выполнять на низкочастотный канал. Вывод номер два: широкополосность спиральной антенны обусловлена её конструкцией (так утверждает Карл Ротхаммель), а не диаметром намотанного провода.
Всё было замечательно до той поры, когда жена попросила устроить ей телевизор ещё и на кухне. Серьёзное расстояние (плюс 13 метров) передачи высокочастотного сигнала – это проблема. Использование краба, а также включение приёмников «цугом» не привело к результату. Испытал три модели усилителей SWA, с лучшим из них интенсивность сигнала подрастала с 70 до 90, но качества на дальнем не было совсем! По отдельности приёмники с этой антенной обеспечивали уверенный приём обоих пакетов.

Строить вторую антенну – загромождать балкон….
Решение пришло. Что если на этом же каркасе устроить вторую спираль, поместив витки между витками первой? Сказано-сделано, доработка была выполнена в 1,5 часа. Результат замечательный! Для второй спирали я использовал провод с посеребренной экранной обмоткой. Интенсивность и качество сигналов на дальнем (!) приёмнике подросли на 15 пунктов. Не замечено влияния приёмников друг на друга с такой антенной.
Известно, что при сложении сигналов от двух спиралей интенсивность сигнала удваивается. Соединять спирали я не пробовал, а было бы интересно. Любопытно также попробовать четыре спирали на общем каркасе…
Надеюсь, что эта информация окажется полезной пытливым и рукастым!

P.S. если была бы кнопка «вставить изображение» - приложил бы фото.

Ну, а теперь – мой выход.

Трудно не согласиться, что очень нужная информация. Остаётся только сожалеть, что ресурс этого блога не обеспечивает сопровождение комментарий фотографиями. Да и сам этот комментарий не сразу проявился, а нашёл я его случайно в кулуарах блога и втиснул в нужное место только спустя две недели.

Сразу по ходу комментария просто уточню, что при сложении двух спиралей, как и других антенн, обладающих направленными свойствами, их общий коэффициент усиления увеличивается только на 3 дБ, если отсчёт усиления этих антенн идёт от полуволнового вибратора (по крайней мере так утверждает автор двухтомника «Антенны» Карл Ротхаммель и «Справочник радиолюбителя конструктора» под общей редакцией Р. М. Малинина).

Опыт автора приложенного комментария практически доказывает, что чем хуже условия распространения радиоволн, тем сильнее сказывается преимущество круговой поляризации, которой обладают спиральные антенны, и даже с учётом потерь в 3 дБ в случае приёма сигнала от телевизионного передатчика с горизонтальной поляризацией.

Теперь же необходимо придумать название этой самодельной антенны, которую испытал автор. Чтобы не запутаться в терминологии спиральных антенн я решил поинтересоваться уже известными названиями, и, таким образом, получилась

Отмечу также, что из всего многообразия антенн только спиральные лидируют по количеству геометрических форм и соответствующих им названий, а что касается двух и более спиралей, то варианты названий пропорционально увеличиваются.

Спиральная антенна с горизонтальной поляризацией.

Это две спирали, с противоположным шагом намотки, расположенные параллельно друг другу в горизонтальной плоскости, с одним общим отражателем, с рекомендованным расстоянием между осями равным 1,5 величины длины волны. Если спирали расположены в горизонтальной плоскости, то они обладают горизонтальной поляризацией, если в одной плоскости друг над другом, то поляризация вертикальная. Две спирали по шесть витков дают усиление 14 дБ, если сравнивать с полуволновым вибратором (напомню, что 6 витков согласно таблице этого же издания – это 11 дБ). Перед одиночной спиралью с волновым сопротивлением 120 Ом сдвоенные спирали обладают преимуществом, так как их общее сопротивление 60 Ом, и они проще согласуется с коаксиальным кабелем 50 или 75 Ом. При однотипной укладке спиралей поляризация будет круговой.

Реже используется конструкция спиральной антенны с горизонтальной поляризацией, где две спирали с разным направлением намотки соединяются по одной оси.

Двойная спиральная антенна.

В том же двухтомнике (особые типы антенн для УКВ и ДМВ диапазонов, глава 26. 8.) существует ещё один термин «двойная спиральная антенна », на самом деле это антенна по свойствам сравнима с четвертьволновым штырём, где последний выполнен в виде спирали, а функцию противовеса выполняет спираль большего диаметра.

Спиральная антенна отличается от других антенн, обладающих направленным излучением, в первую очередь тем, что ее поле излучения имеет круговую поляризацию. В случае применения такой антенны необходимо, чтобы как передающая, так и приемная антенны имели круговую поляризацию излучения.

Круговая поляризация имеет место, когда проводник наматывается в направлении излучения в виде спирали, причем необходимо, чтобы общая длина проводника в одном витке равнялась 1λ, что соответствует при учете коэффициента укорочения диаметру витка D, равному приблизительно 0,31λ. Предполагается, что для получения круговой поляризации используется по меньшей мере три витка, так как поляризация излучения будет тем ближе к круговой, чем больше витков имеет антенна. Простая спиральная антенна излучает в обе стороны в направлении своей оси. Для получения одностороннего излучения и увеличения коэффициента усиления антенны используется дисковый рефлектор.

Схематическое изображение спиральной антенны с необходимыми размерами приведено на рис. 11-3.

Спираль изображена на этом рисунке упрощенно. Диаметр спирали D , равный 0,31λ, может быть рассчитан по отношению к частоте по формуле $$D[см]=\frac{9300}{f[Мгц]}.$$

Зная диаметр витка, можно определить длину проводника, образующего виток L : $$L=D\cdot{3,14}.$$

К важным конструктивным размерам этой антенны относится также угол подъема спирали, который может меняться в пределах от 6 до 24°, однако на практике наиболее часто угол подъема спирали выбирают равным 14°, так как при этом антенна имеет оптимальные электрические параметры. При угле подъема спирали 14° расстояние между витками S равно 0,24. Это расстояние относительно частоты можно рассчитать по формуле $$D[см]=\frac{7200}{f[Мгц]}.$$

Диаметр дискового рефлектора выбирается небольшим, но всегда больше, чем 0,5λ, так как при этом входное сопротивление спиральной антенны при подключении рефлектора меняется незначительно. При больших диаметрах рефлектора увеличивается величина обратного ослабления. Наиболее часто диаметр рефлектора выбирают равным удвоенному значению диаметра витка спиральной антенны, т. е. 0,62λ. Рефлекторы могут быть как дисковыми, так и квадратными. В диапазоне дециметровых волн рефлекторы можно изготовлять из жести, а в диапазоне УКВ рефлекторы изготовляются обычно таким образом, как показано на рис. 11-4 или 11-7. Расстояние между рефлектором и началом спирали целесообразно выбрать равным 0,13λ. Относительно частоты это расстояние может быть определено по формуле $$A[см]=\frac{3900}{f[Мгц]}.$$

Входное сопротивление спиральной антенны почти не имеет реактивных составляющих и равно 120-150 ом в зависимости от размеров спирали. Питание антенны несимметричное с помощью коаксиального кабеля.

Спиральная антенна обладает широкой полосой пропускания. При расстоянии между витками S, равном 0,24λ, при допущении максимального КСВ в линии питания (1,35) соотношение частот, в пределах которых антенна работает удовлетворительно, равно 1: 1,6.

Коэффициент усиления спиральной антенны зависит от числа витков n , шага намотки S и длины витка спирали L и увеличивается приблизительно пропорционально с увеличением числа витков. При углах подъема спирали, равных 12-15°, и при наличии по крайней мере трех витков в спиральной антенне ее коэффициент усиления может быть рассчитан по формуле $$G[дб]=10\log{L^2}{Sn}\cdot{15}$$

При обычных на практике размерах шага намотки спирали S = 0,24λ и диаметра витка D = 0,31λ коэффициенты усиления (дб ) спиральной антенны, рассчитанные по этой формуле, при различном числе витков принимают следующие значения: 3 витка - 10,1 дб ; 4 - 11,3; 5-12,3; 6-13,1; 7-13,8; 8 - 14,4; 9 - 14,9; 10-15,3; 11-15,7 и 12 витков - 16,1 дб .

Если электромагнитные волны с круговой поляризацией принимаются на антенну, обладающую линейной поляризацией, то в этом случае теряется половина энергии, переносимой электромагнитными волнами, что соответствует потерям в 3 дб . Однако с помощью спиральных антенн можно излучать или принимать линейно поляризованные электромагнитные волны. Для этого используют группу из двух спиральных антенн с противоположной намоткой (т. е. если одна антенна имеет правостороннюю намотку, то вторая антенна имеет левостороннюю намотку). При этом если эти две антенны располагаются рядом друг с другом в горизонтальной плоскости, то поляризация поля горизонтальная, а если они располагаются одна над другой в вертикальной плоскости, то поляризация поля вертикальная. В случае, если обе спиральные антенны имеют одну и ту же намотку, то поляризация поля остается круговой, но параллельное соединение двух спиральных антенн дает очень удобное с точки зрения согласования антенны с линией передачи входное сопротивление (65-70 ом ). В этом случае становится возможным без включения дополнительных трансформирующих устройств непосредственно питать антенну при помощи обычного коаксиального кабеля. По сравнению с антенной «волновой канал», имеющей равное усиление со спиральной антенной, последняя занимает несколько меньше места и, кроме того, обладает полосой пропускания, значительно превосходящей полосу пропускания антенны «волновой канал».

Согласование входного сопротивления спиральной антенны с волновым сопротивлением линии передачи удобнее всего осуществлять с помощью коаксиального четвертьволнового трансформатора, сопротивление которого рассчитывается по известной формуле $$Z_{тр}=\sqrt{Z_A\cdot{Z}}.$$

Если положить входное сопротивление спиральной антенны Z A равным 125 ом и потребовать согласования этого сопротивления с коаксиальным кабелем, имеющим волновое сопротивление 60 ом , то волновое сопротивление такого концентрического четвертьволнового трансформатора должно быть равно: $$Z_{тр}=\sqrt{125\cdot{60}}=\sqrt{7500}=86,6 ом.$$

Из графика рис. 1-25 видно, что концентрическая линия имеет волновое сопротивление 87 ом, когда отношение внешнего диаметра внутреннего проводника к внутреннему диаметру наружного проводника равно 1: 4,4.

На рис. 11-5 показана практическая конструкция оформления четвертьволнового трансформатора со всеми необходимыми размерами.

Общая длина согласующего устройства с учетом коэффициента укорочения равна 0,24λ.

На рис. 11-6 показана спиральная антенна, рассчитанная на диапазон 2 м . Размеры спиральной антенны для диапазона 70 см обозначены в скобках. В данном случае диаметр рефлектора был выбран равным 1λ. Разумеется, диаметр рефлектора может быть уменьшен до 0,62λ без изменения всех остальных размеров антенны.

Для изготовления спирали особенно подходит 10-мм дюралевый прут, обычно применяемый для громоотводов, так как его очень легко сгибать. Спираль укрепляется на деревянных планках, а вся антенна в точке ее центра тяжести крепится к деревянной несущей мачте.

На рис. 11-7 изображена спиральная антенна, выполненная радиолюбителем DL 6MH.