Спиральные антенны: виды и фото. Ещё одна спиральная антенна для эфирного цифрового телевидения Изготовление антенны из коаксиального кабеля
Супер простую и супер быструю в изготовлении антенну из коаксиального кабеля для приема каналов цифрового телевидения можно сделать своими руками минут за 5. Для этого вам не потребуется абсолютно ничего, кроме самого кабеля. И это главнейший плюс этой антенны.
Без телевизора сейчас никуда.
Эта конструкция вас обязательно выручит, к примеру, когда вы только-только въехали в жилище и ещё успели ни протянуть кабель, ни поставить стационарную антенну. Конечно это не единственный пример где поможет эта по истине простая петлевая антенна.
Сейчас в комментариях кто-нибудь обязательно напишет, что есть антенны ещё проще, типа штыревой. Для изготовления которой будет достаточно просто снять две изоляции с кабеля и всё будет работать. Я конечно с этим соглашусь, но петлевая антенна, которую сделаю я из коаксиального кабеля будет иметь гораздо большее усиление, ввиду своей направленности и резонансно-замкнутого контура.
Изготовление антенны из коаксиального кабеля
Так выглядит вариант сделанный из черного кабеля.
А теперь изготовление антенны по порядку. Все что нам понадобится это менее полуметра коаксиального кабеля любого цвета. Я взял белый.
От края кабеля отступаем 5 см и снимаем верхнюю изоляцию.
Далее снимаем изоляцию с центральной жилы.
Теперь все вместе аккуратно и плотно скручиваем.
Затем, от края со снятой изоляцией отступаем 22 см и вырезаем кусочек 2 см верхней изоляции и экранированной проволоки с фальной, не трогая при этом изоляцию центральной жилы.
Теперь от конца разреза отмеряем ещё 22 см и делаем прорез шириной 1 см только со снятием верхней изоляции. Экран кабеля не трогаем.
Далее берем конец кабеля, с которого начинали. И очень плотно приматываем его у последнему разрезу, формируя круг антенны.
На этом наша антенна готова к работе. Конечно это не обязательно, но если вешать антенну на улицу, то лучше изолентой заизолировать все оголенные места кабеля. Так же можно добавить жесткий каркас, но это по желанию.
Расположение антенны
Антенну направляем на ретранслятор или телевизионную вышку. Направление можно выбрать и опытным путем, вращая антенну.Лучшем вариантом будет если разместить ее за окном, так как стены дома очень сильно глушат высокочастотный сигнал.
Проверка показала отличный результат работы
Спиральная антенна принадлежит к классу антенн с бегущей волной. Ее основной диапазон работы - дециметровый и сантиметровый. Она относится к классу поверхностных антенн. Главным ее элементом является спираль, подключенная к коаксиальной линии. Спираль создает диаграмму направленности в виде двух лепестков, излучаемых вдоль ее оси в разные стороны.
Спиральные антенны бывают цилиндрические, плоские и конические. Если необходимая ширина рабочего диапазона составляет 50% и меньше, то в антенне используется цилиндрическая винтовая линия. Коническая спираль увеличивает диапазон приема в два раза по сравнению с цилиндрической. А плоские дают уже двадцатикратное преимущество. Наибольшую популярность для приема в частотном диапазоне УКВ получила цилиндрическая радиоантенна с круговой поляризацией и большим коэффициентом усиления выходного сигнала.
Устройство антенны
Главной деталью антенны является свернутый в спираль проводник. Здесь применяется, как правило, медный, латунный или стальной провод. К нему подсоединен фидер. Он предназначен для передачи сигнала от спирали в сеть (приемник) и в обратном порядке (передатчик). Фидеры бывают открытого и закрытого типа. Фидеры открытого типа представляют собой неэкранированные волноводы. А закрытого типа имеют специальный экран от помех, что делает электромагнитное поле защищенным от внешнего воздействия. В зависимости от частоты сигнала, определяется следующая конструкция фидеров:
До 3 МГц: экранированные и неэкранированные проводные сети;
От 3 МГц до 3 ГГц: коаксиальные провода;
От 3ГГц до 300 ГГц: металлические и диэлектрические волноводы;
Свыше 300 ГГц: квазиоптические линии.
Еще одним элементом антенны стал отражатель. Его предназчение - фокусирование сигнала на спираль. Он изготавливается в основном из алюминия. Основанием для антенны служит каркас с маленькой диэлектрической проницаемостью, например, пенопласт или пластик.
Расчет основных размеров антенны
Расчет спиральной антенны начинается с определения основных размеров винтовой линии. Ими являются:
Количество витков n;
Угол подъема витка a;
Диаметр спирали D;
Шаг витка спирали S;
Диаметр отражателя 2D.
Первое, что надо понять при проектировании спиральной антенны, - она является резонатором (усилителем) волны. Ее особенностью стало высокое входное сопротивление.
От геометрических размеров контура усиления зависит тип волн, возбуждаемых в ней. Соседние витки спирали оказывают очень сильное влияние на характер излучения. Оптимальные соотношения:
D=λ/π, где λ-длина волны, π=3,14
Т.к. λ величина, изменяющаяся и зависящая от частоты, то в расчетах берутся средние значения этого показателя, рассчитанного по формулам:
λ min= c/f max; λ max= c/f min, где с=3×10 8 м/сек. (скорость света) и f max, f min - максимальный и минимальный параметр частоты сигнала.
λ ср=1/2(λ min+ λ max)
n= L/S, где L - общая длина антенны, определяющаяся по формуле:
L= (61˚/Ω) 2 λ ср, где Ω - коэффициент направленного действия антенны, зависящий от поляризации (берется из справочников).
Классификация по рабочему диапазону
По основному диапазону частот, приемо-передающие устройства бывают:
1. Узкополосные. Ширина диаграммы направленности и входное сопротивление сильно зависят от частоты. Это говорит о том, что антенна может работать без перенастройки только в узком спектре длины волны, примерно 10% относительной полосы частот.
2. Широкодиапазонные. Такие антенны могут работать в большом спектре частоты. Но их основные параметры (КНД, диаграмма направленности и т. д.) все-таки зависят от изменения длины волны, но не так сильно, как у узкополосных.
3. Частотнонезависимые. Считается, что здесь основные параметры не меняются при изменении частоты. В таких антеннах имеется активная область. Она имеет возможность перемещаться вдоль антенны, не меняя своих геометрических размеров, в зависимости от изменения длины волны.
Чаще всего встречаются спиральные антенны второго и третьего типа. Первый тип применяется, когда необходима повышенная «четкость» сигнала на определенной частоте.
Самостоятельное изготовление антенны
Промышленность предлагает большой выбор антенн. Разнообразие цен может варьировать от несколько сотен до несколько тысяч рублей. Существуют антенны для телевидения, спутникового приема, телефонии. Но можно изготовить спиральную антенну и своими руками. Это не так сложно. Особой популярностью пользуются спиральные антенны для Wi-Fi.
Они особо актуальны, когда необходимо усилить сигнал от роутера в каком-нибудь большом доме. Для этого понадобится медная проволока, сечением 2-3 мм 2 и длиной 120 см. Необходимо сделать 6 витков диаметром 45 мм. Для этого можно использовать трубку, соответствующего размера. Хорошо подходит черенок от лопаты (у него примерно такой же диаметр). Наматываем проволоку и получаем спираль с шестью витками. Оставшийся конец сгибаем таким образом, чтобы он ровно проходил через ось спирали, «повторяя» ее. Растягиваем винтовую часть, чтобы расстояние между витками находилось в пределах 28-30 мм. Затем приступаем к изготовлению отражателя.
Для этого подойдет кусок алюминия размером 15 × 15 см и толщиной 1,5 мм. Из этой заготовки делаем круг диаметром 120 мм, обрезая ненужные края. В центре круга просверливаем отверстие на 2 мм. Вставляем в него конец спирали и припаиваем обе детали друг к другу. Антенна готова. Теперь необходимо вывести провод излучения из модуля антенны роутера. И конец провода спаять с выходящим из отражателя концом антенны.
Особенности антенны на 433 МГц
В первую очередь, надо сказать, что радиоволны с частотой 433 МГц при своем распространении хорошо поглощаются землей и различными препятствиями. Для ее ретрансляции используются передатчики малой мощности. Как правило, такую частоту применяют различные охранные устройства. Она специально используется в России, с целью не создавать помехи в эфире. Спиральная антенна на 433 МГц требует большего коэффициента выходного сигнала.
Еще одной особенностью при использовании такой приемопередающей аппаратуры является то, что волны данного диапазона имеют возможность складывать фазы прямой и отраженной волны от поверхности. Это может привести либо к усилению сигнала, либо к его ослаблению. Из вышеизложенного можно сделать вывод, что выбор «лучшего» приема зависит от индивидуальной настройки положения антенны.
Самодельная антенна на 433 МГц
Спиральную антенну на 433 МГц своими руками изготовить просто. Она очень компактна. Для этого понадобится небольшой отрезок медного, латунного или стального провода. Можно применить и просто проволоку. Диаметр провода должен составлять 1 мм. Наматываем 17 витков на оправку диаметром 5 мм. Растягиваем винтовую линию, чтобы ее длина составила 30 мм. При этих размерах испытываем антенну на прием сигнала. Изменяя расстояние между витками, путем растяжения и сжатия спирали, добиваемся лучшего качества сигнала. Но надо знать, что такая антенна очень чувствительна к различным предметам, подносимым к ней близко.
Приемная антенна ДМВ
Спиральные антенны ДМВ необходимы для приема телевизионного сигнала. По своей конструкции они состоят из двух частей: отражатель и спираль.
Для спирали лучше применять медь - она имеет меньшее сопротивление и, следовательно, меньшую потерю сигнала. Формулы для ее расчета:
Общая длина спирали L=30000/f, где f- частота сигнала (МГц);
Шаг спирали S= 0,24 L;
Диаметр витка D=0,31/L;
Диаметр провода спирали d ≈ 0,01L;
Диаметр отражателя 0,8 nS, где n- количество витков;
Расстояние до экрана H= 0,2 L.
Коэффициент усиления:
K=10×lg(15(1/L)2nS/L)
Чашка отражателя изготавливается из алюминия.
Другие виды приемопередающей аппаратуры
Коническая и плоская спиральные антенны встречаются реже. Это связано с трудностью их изготовления, хотя они и имеют лучшие характеристики по диапазону передачи и приема сигнала. Излучение таких передатчиков формируется не всеми витками, а лишь теми, длина которых близка к длине волны.
В плоской антенне винтовая линия выполнена в виде свернутой в спираль двухпроводной линии. В этом случае соседние витки возбуждаются синфазно в режиме бегущей волны. Это приводит к тому, что создается поле излучения с круговой поляризацией в сторону оси антенны, позволяя создавать широкую полосу частот. Встречаются плоские антенны с так называемой спиралью Архимеда. Это сложная форма позволяет существенно увеличить частотный диапазон передачи от 0,8 до 21 ГГц.
Сравнение спиральных и узконаправленных антенн
Основное отличие спиральной антенны от направленной заключается в том, что она меньше размером. Это делает ее более легкой, что позволяет производить монтаж с меньшими физическими усилиями. Ее недостатком является более узкий диапазон частот приема и передачи. Также она имеет более узкую диаграмму направленности, что требует «поиска» лучшего положения в пространстве для удовлетворительного приема. Несомненное ее преимущество - простота конструкции. Большим плюсом является возможность настраивать антенну при помощи изменения шага витка и общей длины спирали.
Укороченная антенна
Для лучшего резонанса в антенне нужно, чтобы «вытянутая» длина спиральной части как можно ближе была к значению длины волны. Но она не должна быть меньше ¼ длины волны (λ). Таким образом, λ может доходить до 11 м. Это актуально для КВ-диапазона. В этом случае антенна будет слишком длинной, что неприемлемо. Одним из способов увеличить длину проводника является установка удлиняющей катушки у основания приемника. Еще один вариант - запитывание в цепь тракта тюнера. Его задача - согласование выходного сигнала передатчика радиостанций, с антенной на всех рабочих частотах. Если говорить понятным языком, то тюнер выступает в роли усилителя входящего сигнала с приемника. Такая схема применяется в автомобильных антеннах, где очень важен размер элемента, принимающего радиоволну.
Заключение
Спиральные антенны получили большую популярность во многих областях радиоэлектронных коммуникаций. Благодаря им осуществляется сотовая связь. Также их применяют в телевидении и даже в дальней космической радиосвязи. Одной из перспективных разработок по уменьшению габаритов антенны стало применение конусного рефлектора, позволяющего увеличить длину принимающей волны, по сравнению с обычным отражателем. Однако есть и недостаток, выраженный в уменьшении спектра рабочей частоты. Также интересным образцом является «двухзаходная» коническая спиральная антенна, позволяющая работать в широком спектре частот, благодаря формированию изотропной диафрагмы направленности. Это происходит потому, что линия питания в виде двухпроводного кабеля обеспечивает плавное изменение волнового сопротивления.
Введение
Современное состояние техники связи радиодиапазона нельзя представить без спиральных антенн. Этот тип антенных систем используется благодаря своим характерным качеством: широкополосность, эллиптическая поляризация поля при малых габаритах и простой конструкции.
Спиральные антенны используются как самостоятельно, так и в качестве элементов антенной решётки, облучателя, например, зеркальной антенны, что к преимуществам спиральных антенн прибавляет и направленность.
Благодаря свойству эллиптической поляризации спиральные антенны нашли применение в техники космической связи, поскольку, в ряде случаев поляризация принимаемого сигнала может быть случайной, например, от объектов, положение которых в пространстве изменяется или может быть произвольным (эти объекты могут быть: самолёты, ракеты, спутники и т.д.)
В радиолокации антенны с вращающейся поляризацией позволяют уменьшить помехи создаваемые отражениями от осадков и от поверхности Земли, обусловленные тем, что направление вектора напряжённости электрического поля изменяется на обратное.
Поле с вращающейся поляризацией может применяться также при работе одной и той же антенны на передачу и приёма для увеличения развязки между каналами (при этом излучаемые и принимаемые поля должны иметь противоположное направление вращение).
В настоящие время спиральные антенны широко применяются в качестве антенн устройств личной связи. Значительная доля сотовых телефонов, транковых аппаратов, и мобильных радиостанций содержат в своей конструкции спиральные антенны, работающие в режиме перпендикулярной оси излучения.
В настоящие время я собираюсь исследовать диаграммы направленности плоских спиральных и цилиндрических СА, проанализировать их зависимость от длинны, проследить изменение направленности при изменении параметров антенны. Так же сравнить характеристики СА между собой и с другими типами антенн.
В начале каждого раздела берется определенный тип СА. И дальше будут идти результаты компьютерного анализа для разных режимов и типов. Все расчеты и построения графиков будут проведены в программе МаthCAD 2001i.
Предполагается включение в приложения программ простейшего расчета характеристик спиральной антенны.
Особенностью теории СА является сложность расчета поля антенны.
Из различных конструкций диапазонных антенн эллиптической поляризации наибольшее применение получила спиральная антенна, предложенная Краусом в 1947 году, и ее различные модификации.
Чтобы иметь возможность производить расчет перечисленных характеристик и параметров СА в широком интервале частот, необходимо установить зависимость фазовых скоростей волн тока, распространяющихся вдоль провода в спирали от геометрии и частоты возбуждающего спираль напряжения.
Расчетам фазовой скорости волны тока, распространяющейсявдоль провода спирали, и установлению зависимости фазовых скоростей от геометрии и частоты возбуждающего спираль напряжения, посвящено много работ, первая попытка решения этой задачи принадлежит Поклингтону, который еще в 1897 году, решив задачу об определении фазовой скорости электромагнитной волны, распространяющейся вдоль прямого провода и вдоль кольца, пытался рассмотреть вопрос о распространении электромагнитной волны вдоль спирали. Это удалось ему сделать в ряде частных случаев. Если не считать отдельных работ в этом направлении, связанных с распространением электромагнитной волны в катушках интерес к этой теме возник в конце 40-х годов в связи с широким применением спиралей в качестве замедляющих структур.
Глава 1. Типы спиральных антенн
1.1 Типы спиральных антенн
Среди различных типов широкополосных антенн важное место занимают разнообразные спиральные антенны. Спиральные антенны являются слабо- и средненаправленными широкополосными антеннами эллиптической и управляемой поляризации. Они применяются в качестве самостоятельных антенн, возбудителей волноводно-рупорных антенн эллиптической и управляемой поляризации, элементов антенных решеток.
Спиральные антенны – это антенны поверхностных волн. По виду направителя (замедляющей системы) и способу обеспечения работы в широком диапазоне частот их можно разделить на:
· цилиндрические регулярные, у которых геометрические параметры (шаг, радиус, диаметр провода) постоянны по всей длине и широкополосность обусловлена наличием дисперсии фазовой скорости;
· эквиугольные или частотно-независимые (конические, плоские);
· нерегулярные, к которым можно отнести все другие типы спиральных антенн.
Рис.1.1. 3 Нерегулярные спиральные антенны:
а – плоская с постоянным шагом намотки (архимедова);
б – коническая с постоянным шагом намотки;
в – на поверхности эллипсоида вращения с постоянным углом намотки.
 |
Рис.1.1.4 Нерегулярная цилиндрическая спиральная антенна (с переменным шагом)
По числу заходов (ветвей) и способу их намотки спиральные антенны могут быть одно- и многозаходные с односторонней или двусторонней (встречной) намотки.
Отсутствие или наличие дополнительного замедления фазовой скорости и способ его реализации позволяют разделить спиральные антенны на следующие типы:
· из гладкого провода в однородном диэлектрике (воздухе),
· из провода, обладающего собственным замедлением (импедансные спиральные антенны),
· из провода с собственным замедлением и с диэлектриком (импедансные спирально-диэлектрические антенны).
 |
Рис. 1.1.5 Спиральные антенны с дополнительным замедлением:
а – импедансная;
б,в – спирально-диэлектрическая;
г – импедансная спирально-диэлектрическая.
Одним из основных свойств спиральных антенн является их способность работать в широкой полосе частот с коэффициентом перекрытия от 1.5 до 10 и более. Все спиральные антенны – это антенны бегущей волны, но одно обстоятельство само по себе не обуславливает работы спиральных антенн в диапазоне частот с таким коэффициентом перекрытия.
Работа однозаходных регулярных цилиндрических спиральных антенн и их модификаций в диапазоне частот возможна благодаря их дисперсионным свойствам, вследствие которых в широком диапазоне частот фазовая скорость поля вдоль оси спирали близка к скорости света, отражение от свободного конца спирали мало, длина волны в проводе спирали примерно равна длине витка.
В многозаходных цилиндрических спиральных антеннах рабочий диапазон дополнительно расширяется вследствие подавления в них ближайших низших и высших типов волн, искажающих диаграмму направленности основного типа.
Спиральные антенны с односторонней намоткой излучают поле с эллиптической, близкой к круговой, поляризацией. Направление вращения вектора поля соответствует направлению намотки спирали. Для получения линейной и управляемой поляризации используют спиральные антенны с двусторонней (встречной) намоткой.
Рис.1.1.6. Эквиугольные спиральные антенны с двусторонней (встречной) намоткой: а – коническая четырехзаходная; б – плоская трехзаходная.
Форма частотно-независимых (плоских и конических эквиугольных) спиральных антенн определяется только углами. Каждой длине волны в пределах рабочего диапазона соответствует излучающий участок неизменной формы и постоянных электрических размеров. Поэтому ширина диаграммы направленности и входного сопротивления приближенно остаются постоянными в весьма широких диапазонах частот (10:1 ...20:1).
Для получения однонаправленного излучения с эллиптической поляризацией в меньших диапазонах частот (2:1 ... 4:1) нет необходимости строго выдерживать форму антенны в соответствии с условием частотной независимости. Если при переходе от одной длины волны к другой форма и электрические размеры излучающего элемента повторяются хотя бы приближенно, антенна работает в диапазоне частот с меньшим постоянством характеристик и параметров. Следуя этому, можно построить очень широкое, не подчиняющееся точно принципу частотной независимости семейство антенн в виде одно- или многозаходных спиралей, навитых (по различным законам намотки) на различных поверхностях вращения. Иногда такие антенны называют квазичастотно-независимыми.
Квазичастотно-независимые спиральные антенны для получения управляемой и линейной поляризации также выполняются с двусторонней намоткой. Для получения управляемой, линейной и круговой поляризации могут также применяться различные (цилиндрические, эквиугольные и др.) двухзаходные спиральные антенны.
Рис.1.1.7. Квазичастотно-независимые спиральные антенны с двусторонней (встречной) намоткой и постоянным шагом: а – коническая четырехзаходная; б – полусферическая четырехзаходная; в – эллипсоидная четырехзаходная.
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%
Считается, что спиральная антенна характеризуется круговой поляризацией, но мнение ошибочно. В действительности структура витков такова, что принимаются волны и с линейной поляризацией. Это удобно, когда присутствует возможность работать на любой структуре волны. И спиральные антенны используются как облучатель зеркал на спутнике. Для радиолюбителей недостаток в том, что волна с линейной поляризацией ослабляется на три децибела, как известно, в радио и телевещании другого не используется. В стране спиральный облучатель уместен лишь для ловли НТВ+ со спутника, там метод не используется. Ряд специальных применений указанных антенн обсуждать не станем. Впрочем, запросы по теме встречаются в сети. Кому пригодится спиральная антенна, свитая из проволоки и одетая на кусок трубы, ответить не беремся, даже в сборнике работ радиолюбителей этот класс изделий отсутствует напрочь.
Как собрать спиральную антенну
Спиральная антенная напоминает инфракрасный обогреватель специфической конструкции. В СССР военные заводы выпускали приборы бытового назначения. Отсюда сходство параболических тарелок и обогревателей. Для сборки понадобится узнать диаметр и шаг намотки проволоки, количество витков. Из материалов понадобятся:
- Стальной лист для экрана, произвольной толщины, чтобы не гнулся от ветра и прочих коллизий.
- Отрез проволоки, чтобы хватило намотать витки с запасом.
- Питающий кабель: для телевидения 75 Ом, для радио 50 Ом.
- Труба пластиковая нужного диаметра.
Спиральные антенны относятся к классу бегущей волны, сопротивление устройств велико, чтобы, правильно рассчитав устройство, подключить без согласования. Сначала размечается труба, с запасом, чтобы удалось воткнуть в экран и приклеить. Вдоль оси (лучше с двух сторон) размечается шаг намотки. В будущем риски используются для выравнивания. Отступите спереди пару-тройку сантиметров, начинайте работать маркером. Обратите внимание, что с обратной стороны виток смещается ровно на полшага.
Спираль наматывается на трубу без учета шага, с нужным числом витков. В дальнейшем, начиная с первой риски, нужно растянуть проволоку правильным образом. Чтобы не происходило смещения в дальнейшем, следует правильное положение зафиксировать каплями клея. Примерно по три-четыре на виток. Тем временем изготовим экран.
Выбирайте квадрат со стороной порядка пяти диаметров трубы намотки. Нет разницы, какова толщина стали, выдерживайте прочностные характеристики. В собранном виде экран перпендикулярен трубе.
Для электрической сборки следует в области окончания спирали (основание трубы) просверлить отверстие и проволоку пропустить внутрь. За экраном в боковине проделываем дополнительную дыру, куда пропускаем оплетку питающего кабель. Электрически центральная жила соединяется со спиралью, экран фидера с экраном антенны. Образуется конструкция для приема и передачи волн. Труба со стальным экраном соединяются клеем-герметиком по уголку, чтобы обеспечить строгую перпендикулярность деталей. Ключевые моменты:
- Спираль и экран изготавливаются из проводящего материала, к примеру, меди.
- Труба из диэлектрика.
Расчет спиральной антенны
Спиральные антенны хороши способностью ловить любой тип волны, используемый в наземном вещании. Однако для ловли радио следует ось направить вверх, экран же расположится горизонтально. Устройству присущи ярко выраженные направленные свойства, не ждите, что получится охватить ряд вышек из одной точки. Не так просто. Диаграмма направленности зависит от габаритов спиральной антенны и сильно:
- Если длина витка много меньше длины волны, преобладает боковое излучение, поперек оси антенны. Причем поляризация не круговая.
- В идеальном случае длина витка укладывается в рамки 0,75 — 1,3 длины волны. В этом случае наблюдаем главный лепесток диаграммы направленности, смотрящий вперед. Разумеется, необходим экран.
- Если длина спирали больше 1,5 длины волны, образуется два лепестка, направленных в переднюю полуплоскость. Точнее говоря, получается нечто, напоминающее конусную поверхность.
Косвенно (по второму пункту) читатели уже составили представление о диапазоне. В два раза полосу расширим, применяя не цилиндрическую, а конусную спираль (коническая спиральная антенна). Рекомендуем онлайн калькулятор на сайте http://aerial.dxham.ru/onlajn-raschety/raschety-antenn/raschet-spiralnoj-antenny. Здесь предлагается задать частоту, шаг намотки спирали и длину излучателя:
- От длины намотки спирали зависит ширина главного лепестка диаграммы направленности. Варьируйте число витков и наблюдайте за параметром (находится в низу страницы калькулятора). Едва приметно меняется диаметр намотки спирали. Этому нет объяснения, создателям калькулятора виднее. Разумеется, понадобится больше меди, что отражается в соответствующих параметрах.
- Добавим, что с увеличением длины растет и усиление. Это типичный эффект: сужается лепесток – растет усиление. Площадь диаграммы направленности — величина постоянная. Как говорил Ломоносов, если в одном месте чего прибудет, в другом непременно убыть должно. Заметьте, что с ростом витков едва приметно падает ширина полосы пропускания.
- От шага намотки зависит усиление: чем больше цифра, тем ниже усиление, тем уже диаграмма направленности. На наш взгляд это ошибка авторов, потому что выходит, что выгоднее мотать плотно. Вдобавок проволоки уйдет меньше. Показаны исключительно преимущества, на практике подобное выглядит сомнительно.
Из полезных свойств этого онлайн калькулятора хотелось бы отметить расчет минимального размера экрана. А насчет шага уточните в справочниках, чем и займемся. Кстати, любопытен факт, что по умолчанию на сайте сразу стоит частота WiFi 2,45 ГГц. Здесь сегодня спиральные антенны часто применяются.
Нашли: усиление зависит только от числа витков. Шаг намотки рекомендуется выбирать 0,22 – 0,24 длины волны. На сайте это значение задаем в широких пределах. Предлагаем читателям выбрать шаг, варьируя число витков. Случается, что в отдельных калькуляторах встречаются ошибки, точной информацией владеет лишь веб-программист.
Кстати, в новом источнике сведения приведены, что экран размещается позади спирали на расстоянии 0,12 длины волны. При этом добавляется, что если диаметр экрана выбирается равным 0,8 длины волны и более, сторона квадрата еще больше: 1,1 λ. Ситуация не настолько очевидна, но представьте, что круг обязан вписаться внутрь — все встает на места.
Что касается согласования, сопротивление спиральной антенны сильно зависит от толщины проволоки и с ростом уменьшается. Возможно добиться цифры, равной 75 и даже 50 Ом. В данном случае согласования не требуется, что упрощает эксплуатацию. На высоких частотах это работает. К примеру, волновое сопротивление станет равным 75 Ом при толщине проволоки 5% длины волны. Получая 50 Ом, следует взять толщину проволоки 7% длины волны. Видите, что на частотах WiFi это реально, а значит, рассчитаем параметры так, избегая согласования.
Обратите внимание, в калькуляторе не дается возможности задать толщину провода, а с имеющимся волновое сопротивление равно 140 Ом. Вероятно, это профессиональная хитрость, по нашим сведениям кабель должен быть на 50 Ом на частотах WiFi. Зато легко проверить, выполняется ли зависимость от толщины провода. Приведем таблицу и сравним результат.
Таблица расчетов
Итак, частота составляет 2450 МГц, находим длину волны по простой формуле:
λ = 299 792 458 / 2450 000 000 = 0,1223 метра.
Находим нужный диаметр провода для сопротивления 140 Ом:
0,1223 х 0,02 = 2,45 мм, проверим, совпадает ли это с онлайн калькулятором! Смотрим и видим: 2,4. Ну, если учесть, что без округления получилось 2,447 мм, то будем считать, что два источника повторяют друг друга, а значит указаниям по выбору шага намотки (см. выше) можно поверить. На этом считаем, что самодельная спиральная антенна готова, а также найдем толщину проволоки, при которой сопротивление станет равным 50 Ом: получается 8,5 мм. Причём на указанной высокой частоте сложно обеспечить требуемые условия. Посему целью самостоятельно сделать спиральную антенну чаще задаются компьютерщики.
Что касается нестыковок в калькуляторе, проверяйте читаемую в интернете техническую информацию несколько раз. Считаем, что ответили на вопрос, что такое спиральная антенна, и как сделать спиральную антенну. Плюс конструкции в простоте изготовления, если патчи нужно просчитывать, согласовывать, и не факт, что получится, здесь имеется неплохое устройство, удовлетворяющее заданным условиям, отсеивающее массу помех. С обеих сторон (на прием и передачу) стоят одинаковые антенны, чтобы работать с круговой поляризацией, в противном случае результат станет загадочно-непредсказуемым. Спиральная антенна, собранная самостоятельно — реальность.
