Спиральная антенна своими руками

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

S=0,25 λ

a=12˚

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=3×108 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).

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 мм2 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.

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.

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.

13.4.5. Спиральные направленные антенны

Линии задержки в виде спирали – классика радиотехники. Поэтому исторически спираль для замедления радиоволны (т.е. создания направленной антенны см. п. 13.1.3) использовали едва ли не первой. Еще в 30-е годы прошлого века.

Спиральная антенна представляет собой однослойную катушку с большим в длинах волн диаметром и шагом намотки. Для получения однонаправленной ДН сзади катушки помещают большой апериодический рефлектор-поверхность. Такая конструкция показана в файле …Helix7.gaa и на рис. 13.4.14.


Рис. 13.3.14.

Из этого рисунка видны два основных недостатка спиральных антенн:

  • плохое подавление назад и вбок (не превышает 20 дБ, худшие точки 12…15 дБ).

  • Высокое входное сопротивление, требующее согласования (но не всегда, см табл. 13.4.1).

Но есть и достоинства:

  • вращающаяся поляризация.

  • Очень широкая полоса (отношение FMAX/FMIN приближается к 2) и вытекающая отсюда малая критичность к размерам.

Большой уровень боковых и задних лепестков являются неотъемлемым свойством спиральной антенны, точнее, свойством линии задержки спиральной формы. Подавление назад пытаются повысить хотя бы до 20 дБ большими рефлекторами сложной формы, но отсюда уже недалеко и до зеркальных антенн.

Спиральная антенна закручивает вращение плоскости поляризации. Направление вращения совпадает с направлением намотки спирали. Для хорошего коэффициента эллиптичности спираль должна содержать целое число витков. Это вытекает из того, что любая антенна вращающейся поляризации должна содержать равное количество вертикальных и горизонтальных частей

Поскольку спиральная антенна это катушка, то ее размеры и задаются как для катушки:

  • диаметр оправки D, на которой намотана спираль.

  • Шаг намотки S.

  • Число витков N.

Как и в любой другой антенне N (т.е. число одновитковых элементов) определяет усиление. А диаметр D и шаг S задают степень замедления (оптимальную фазовую скорость), т.е. должны быть связаны с длиной волны .

Но с какой именно ? Спиральная антенна ведь широкополосна. Частота (и, соответственно, длина волны) меняются в полосе почти вдвое.

Какую брать для расчетов?

Поскольку ответ на последний вопрос в разных источниках не стандартизирован, то и формулы расчета спиральной антенны в них различаются. Чтобы избежать путаницы, будем брать той частоты (назовем ее оптимальной, FOPT), на которой усиление антенны максимально.


Рис. 13.3.15.

На рис 13.4.15 показано как меняется от количества витков оптимальный диаметр каркаса D, выраженный в . Шаг намотки S должен составлять 0,22 … 0,24.

Усиление Ga зависит только от числа витков N спирали (считается, что оптимальный диаметр D, соответствующий данному N уже установлен), как показано на рис. 13.4.16 (собственные расчеты и , ).


Рис. 13.3.16.

Спираль должна содержать не менее 3 витков, чтобы сформировалась направленная ДН (файл …Helix3.gaa). Для излучения в одну сторону сзади спирали на расстоянии 0,12 помещают сетчатый или сплошной рефлектор, который должен:

  • иметь диаметр 0,8 если он круглый.

  • Размер стороны 1,1 если квадратный.

Входное сопротивление спиральной антенны зависит, прежде всего, от диаметра провода спирали. Ведь спиральная антенна представляет собой спиральную длинную линию. И волновое сопротивление этой линии (в данном случае Ra) сильно зависит от диаметра провода. Точно так же, как у любой другой линии (п. 3.2.2).

Зависимость Ra спиральной антенны от диаметра провода в , приведена в таблице 13.4.2.

Табл. 13.4.1.

d в 0,5% 1% 2% 3% 4% 5% 7%
Ra, Om 240 190 140 115 87 75 50

Так что приводимое во многих источниках входное сопротивление спиральной антенны 140 … 160 Ом является просто частным случаем намотки спирали проводом диаметром 1,5…2% .

Для упрощения согласования имеет смысл использовать провод 3% . И полученное Ra = 115 Ом, понижать до 50 Ом четвертьволновым отрезком кабеля 75 Ом. Пример такой конструкции показан в файле …Helix_WiFi.gaa и на рис. 13.4.17. Это 14-ти витковая спиральная антенна на диапазон WiFi 2450 МГц.


Рис. 13.3.17.

Частотные свойства спиральной антенны (на примере 7-ми витковой …Helix7.gaa) показаны на рис. 13.4.18 (усиление) и рис. 13.4.19 (КСВ, дан относительно 190 Ом, т.к. диаметр провода в этой модели около 1% ).


Рис. 13.3.18.

Рис. 13.3.19.

Как видно из сравнения этих двух рисунков полоса по усилению меньше полосы по КСВ. По уровню снижения Ga на 3 дБ полоса на рис. 13.4.17 составляет 1280 – 2080 МГц. КСВ в этой полосе только на верхнем краю достигает 1,5.

Оптимальная по усилению частота расположена не в середине полосы, а ближе к верхней границе. Так, на рис. 13.4.17 FOPT = 1880 МГц. До верхней границы 200 МГц, а до нижней втрое больше, 600 МГц.

Это надо иметь в виду при расчетах. Полезно задавать FOPT процентов на 10 … 15% выше желаемой средней частоты. Особенно принимая во внимание, что пластиковые части конструкции (траверса, распорки) сдвинут вниз частотную характеристику антенны. Если спираль мотается прямо на пластике, то необходимо учитывать что антенна станет электрически длиннее в корень из раз.

В заключение этого раздела несколько приемов по редактированию моделей спиральных антенн.

  • Диаметр намотки D легко менять масштабированием по осям Y и Z.

  • Масштабирование только по одной оси X меняет шаг намотки.

  • Если коэффициент эллиптичности получился плохим (V и H составляющие ДН заметно отличаются), то подогнать его к 1 можно удаляя дальние провода спирали (по одному и каждый раз пересчитывать и смотреть разницу V и Н ДН).


На главную — Main page

Спиральные антенны применяются в диапазоне сантиметровых, дециметровых и метровых волн, когда на линиях радиосвязи возникает необходимость использования радиоволн с вращающейся поляриза-
цией. Кроме того, трансформация линейно поляризованной волны в волну с вращающейся поляризацией может происходить естественным путем при распространении волны в магнитоактивной среде, примером которой служит ионосфера. Влияние постоянного магнитного поля Земли приводит к тому, что в зависимости от ориентации траектории волны и силовых линий магнитного поля Земли линейно поляризован-ная волна превращается в волну с круговой (или эллиптической) поляризацией либо возникает вращение плоскости поляризации линейно поляризованной волны (эффект Фарадея).

В любом из этих случаев возникают поляризационные замирания сигнала при приеме на линейную антенну. Поэтому в качестве приемных антенн для борьбы с поляризационными замираниями применяют спиральные антенны.

Спиральные антенны могут быть цилиндрической или конической формы, широко применяются также плоские спирали (рис. 14.12).

Рассмотрим вначале принцип действия цилиндрической спирали (рис. 14.12, а)

а б в

Рис. 14.12. Спиральные антенны:

а – цилиндрическая; б – коническая; в – плоская

Одним концом такая спираль присоединяется к центральному проводнику коаксиальной линии, второй конец спирали остается свободным.

Внешний проводник коаксиальной линии соединен с плоским экраном круглой или прямоугольной формы. Экран препятствует проникновению тока, текущего по внутренней поверхности внешнего проводника коаксиальной линии, на его внешнюю поверхность. Тем самым подавляется антенный эффект коаксиального фидера. Кроме того, экран играет роль рефлектора, уменьшая обратное излучение.

Витки спирали возбуждаются последовательно бегущей волной тока. Поэтому спиральная антенна относится к классу решеток бегущей волны, где элементом решетки служит один виток спирали.

В зависимости от диаметра витка спи-рали максимум излучения направлен ли-
бо вдоль оси спирали, либо по нормали
к оси, либо под углом к оси (рис. 14.13). Волна, распространяющаяся вдоль спира-

ли, имеет замедленную фазовую скорость (Vф < с). Поэтому длина распространяющейся волны lсп < l0, где . В режиме осевого излу-

чения длина витка спирали примерно равна длине волны. При этом условии вдоль витка укладывается две противофазные полуволны тока, образуя горизонтально поляризованное поле (рис. 14.14). По мере продвижения волны тока по витку вектор напряженности поля Е поворачивается с частотой волны w, за период колебания высокой частоты совершая полный круг. Излучаемая волна приобретает вращающуюся поляризацию.

Условием круговой поляризации спиральной антенны является синфазное возбуждение витков спирали. Разность фаз полей, создаваемых соседними витками, складывается из разности фаз по питанию (возбуждению витков) и пространственной разности фаз из-за расстояния между витками (шага спирали). В осевом направлении

, (14.42)

где x – коэффициент замедления ; d – шаг спирали.

Из (14.42) следует, что оптимальная длина витка для получения круговой поляризации равна

. (14.43)

Как следует из теории решеток бегущей волны, максимальный КНД решетки соответствует условию, когда разность фаз полей, создаваемых крайними элементами решетки, равняется p. Тогда разность фаз полей, создаваемых соседними элементами решетки, равна , где n – число элементов решетки.

Таким образом, максимальный КНД соответствует условию

,

откуда

. (14.44)

Из (14.43) и (14.44) следует, что условие круговой поляризации и максимального КНД не совпадают. В качестве компромисса обычно длину витка l выбирают в пределах l » (0,7…0,8)l.

С уменьшением длины волны коэффициент замедления уменьшается, при увеличении – возрастает. Поэтому условие (14.44), а следовательно, и направленные свойства спиральной антенны сохраняются практически неизменными в сравнительно широкой полосе частот (примерно от 0,7l0 до 1,4l0).

По мере продвижения волны вдоль спирали в результате излучения поля амплитуда тока в витках уменьшается. Поэтому основная часть энергии излучается несколькими первыми витками, остальные витки заметного участия в излучении не принимают. Обычно число витков в спирали колеблется от 3 до 10.

Конические спирали работают в более широкой полосе частот, чем цилиндрические. Подобно логопериодическим антеннам, в конических спиральных антеннах в излучении участвует не вся антенна, а только ее активная область, перемещающаяся по антенне при изменении рабочей частоты. При этом направленные свойства антенны сохраняются практически неизменными во всей рабочей полосе частот.

Угол захода a спиралей обычно выбирается в пределах 12…15°. Соответственно шаг спирали

d = (0,15…0,3)l . (14.45)

Входное сопротивление спирали активное и равняется

. (14.46)

Коэффициент направленного действия спиральной антенны определяется по формуле

, (14.47)

где n – число витков спирали.

Диаграмма направленности спиральной антенны определяется по формуле для решетки бегущей волны (14.25):

,

где F1(j) = cosj – диаграмма направленности одного витка.

Широкое применение в технике радиосвязи получили плоские спиральные антенны. На рис. 14.15 показана двухзаходная плоская спираль, ветви (плечи) которой питаются в противофазе.

Спираль может выполняться из проводов, либо по методу печатной технологии.

При противофазном возбуждении плеч в точке А и В на расстоянии от центра спирали разность фаз токов в элементах 1 и 2 соседних витков спирали равна

, (14.48)

где – разность расстояний от центра спирали (вдоль плеч) до элементов 1 и 2.

Нетрудно убедиться в том, что равняется половине длины окружности с радиусом r0, т.е. . При

, (4.19)

где n = 1,2,…; при любых l.

Из (14.49) непосредственно следует, что соседние витки возбуждаются в фазе в режиме бегущей волны и формируют поле излучения с круговой поляризацией в направлении нормали к плоскости витков. Нижняя рабочая частота определяется диаметром антенны, а верхняя частота – размером в точках питания. Таким образом, рабочая (активная область) антенны в зависимости от частоты перемещается по антенне, в результате чего характеристики антенны остаются неизменными в широкой полосе частот. Диаграмма направленности антенны по форме близка к ДН полуволнового симметричного вибратора. Для формирования одностороннего излучения применяется апериодический рефлектор.

Спиральные антенны, имея слабовыраженные направленные свойства, преимущественно применяются в качестве облучателей апертурных антенн и как элемент антенных решеток.

D-диаметр спирали, S–шаг спирали

Рис.2.4.1.

Цилиндрическая спиральная антенна.

Следует иметь в виду, что спиральные антенны имеют излучение с вращающейся поляризацией. При работе на передачу спиральная антенна излучает поле с вращающейся поляризацией, право или лево поляризованное, в зависимости от направления намотки спирали. При работе на прием она принимает либо поле вращающейся поляризации с направлением вращения, как и при передаче, либо поле любой линейной поляризации. При расчете К.Н.Д. антенны следует делать поправку на круговую поляризацию и от результата отнимать 3 dВ.

Для приема излучения с линейной поляризацией, чтобы не терять 3 dВ, можно применять антенну состоящую из двух близко расположенных параллельных спиралей, намотанных в противоположные стороны. Если антенна предназначена для работы только на одном радиолюбительском диапазоне, например 430 / 435 МГц, желательно заузить полосу пропускания антенны при помощи четвертьволнового короткозамкнутого шлейфа, выполненного из медного провода диаметром 2-3 мм или медной шинки, соединяющей разъем и экран (Рис. 2.4.2).

Рис.2.4.2.

Если спирали расположить в горизонтальной плоскости, то возможен прием волн с горизонтальной поляризацией, а при вертикальном расположении – с вертикальной поляризацией. Антенна из двух параллельно расположенных спиралей дает возможность при соединении спиралей параллельно получать входное сопротивление Rвх = (65-80) Ом, что удобно при питании ее обычным коаксиальным кабелем без согласующих устройств.

Для создания антенны с управляемой поляризацией, совмещают две противоположно направленные обмотки. Рис. 2.4.3. То есть делается двухзаходная спираль на одном каркасе с противоположным направлением намотки витков.

Спирали с противоположным направлением намотки развязаны относительно друг друга на 40 dВ, меняя сдвиг по фазе между токами в обеих обмотках можно управлять направлением поляризации.

В диапазонах 1200 мГц и выше антенну следует помещать не над экраном, а в коническом рупоре, что увеличивает в четыре раза коэффициент направленного действия такой антенны по сравнению с обычной спиралью такой же длины, а уровень боковых лепестков становится на 15 – 20 dВ ниже. Рис.4

Цилиндрическая спиральная антенна состоит из следующих основных частей: проволочной спирали, сплошного или сетчатого экрана, согласующего устройства. В конструкцию антенны могут входить так же диэлектрический каркас, на который наматывается спираль и диэлектрические растяжки, придающие антенне жесткость.

Если спираль крепится на сплошном каркасе из диэлектрика, то ее расчетные размеры должны быть уменьшены в 1/ v раз. Спираль наматывается из проволоки, трубки либо плоской ленты. Как витки, так и экран необязательно делать круглыми, их можно делать квадратными или многоугольными. Длина витка спирали принимается равной средней длине волны заданного диапазона L=cp.

Рис.2.4.3Двухзаходная спиральная антенна

Рис.2.4.4 Конический рупор с противоположным направлением со спиральным возбудителем намотки витков

Шаг спирали находится из условия S=0,22, если необходимо получить круговую поляризацию поля, или из условия

если необходимо получить от антенны максимальный К.Н.Д. L – длина витка, S – шаг спирали, длина антенны. Входное сопротивление почти чисто активное.

Расстояние начала спирали от экрана выбирают равным 0,13. Диаметр диска экрана принимается равным (0.9 1,1); диаметр провода спирали берется порядка (0,03;0,05) cp.

Пример. Спиральная антенна для диапазона 70 см имеет шаг S = 15,4 см, число витков n = 7 и длину витка L = 54,5 см (диаметр спирали D = 16,7 см). Длина спирали 108 см. Диаметр экрана 70 см. Rвх = 109 Ом. G=11,4 dВ.

Если необходимо иметь согласование в широкой полосе частот, например, в телевизионном диапазоне ДМВ, можно применить широкополосной экспоненциальный трансформатор, в полосковом исполнении. Экспоненциальным трансформатором называется линия, по длине которой волновое сопротивление изменяется по экспоненциальному закону. См.Рис.2.4. 5 а. Это достигается изменением расстояния между проводниками или их диаметра и соответственно изменением погонной индуктивности и емкости трансформатора по всей его длине. Физическая сущность согласования экспоненциальным трансформатором заключается в том, что по мере увеличения его волнового сопротивления амплитуда напряжения возрастает, а амплитуда тока уменьшается, причем эти изменения происходят достаточно плавно, так, что режим бегущих волн практически сохраняется. На практике, особенно в диапазоне сверхвысоких частот, широко применяются отрезки линий, поперечные размеры которых изменяются по линейному закону. Изготовление таких трансформаторов проще, чем экспоненциальных и они близки по эффективности согласования к экспоненциальным. См. Рис.2.4.5Б.

Рис.2.4. 5а Рис.2.4.5б

Рис.2.4.6

На рис.2.4.6 показан вариант выполнения широкополосного трансформатора в полосковом исполнении для спиральной антенны. Трансформатор представляет собой полосковую линию, переменной ширины, расположенную над экраном (рефлектором) антенны. Полосок вырезается из тонкой листовой меди или латуни толщиной 0,3-0,6 мм. Чтобы выдержать точное расстояние над экраном и хорошо закрепить полосок, на экран приклеить кольцо из пенопласта и на это кольцо приклеить полосок. При расчете волнового сопротивления учитывается диэлектрическая проницаемость пенопласта 1,1.

Так как полосок должен быть равен длине волны и чтобы он не занимал много места, его лучше выполнить по диаметру спирали. Рис. 2.4.6. Разделив полосок на десять равных частей, переносим размеры ширины полоска согласно Рис.2.4.7, на Рис.2.4.7а.

Рис. 2.4.7

Рис. 2.4.7а

Толщина пенопласта 7 мм. В нашем примере трансформатор трансформирует 120 Ом в 75 Ом. Согласно графику можно изготовить трансформатор с другим коэффициентом трансформации. Рис.8.

На рис.2.4.9 антенна дециметрового диапазона, несущая траверса склеена из двух частей, прямоугольная стеклопластиковая труба от хоккейной клюшки, вторая часть круглая стеклопластиковая труба от лыжной палки. Каждый виток спирали опирается на четыре стеклотекстолитовые распорки. В качестве распорок использовалась крайняя секция от пластиковой телескопической удочки (хлыстик), который всегда можно приобрести в продаже отдельно (без удочки). По длине траверсы с постоянным шагом сверлятся отверстия, в которые вклеиваются на эпоксидный клей распорки. Спираль выполнена из медной шинки прямоугольного сечения. Несмотря на большую длину антенны, имеет хорошую жесткость. Антенна расчалена тонким капроновым шнуром, это придает антенне дополнительную жесткость, а так же защищает от птиц. Для уравновешивания конструкции с задней стороны экрана крепится металлическая труба с грузом на конце.

Добавить комментарий

Закрыть меню