Самодельные антенны: уличные, домашние. Ещё одна спиральная антенна для эфирного цифрового телевидения Краткий обзор спиральных антенн

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.

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 фазированная рамка с усилителем 35 дБ и с трудом покупная комнатная антенна с усилителем 30 дБ. 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) самодельным КСВ-метром . 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 самодельной антенной для приёма эфирного цифрового телевидения , 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.

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.

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.

В окружающем нас мире часто очень важным оказывается тот факт, что человек не может обойтись без большого количества необходимой и своевременной информации. Эта информация может носить как мирный так и военный характер, но она предназначена прежде всего для облегчения деятельности человека.

Одной из разновидностью устройств служащих для приема и передачи информации являются антенны.

В данной курсовой работе будут рассмотрены вопросы расчета антенны, удовлетворяющей поставленным техническим требованиям.

2. Цель работы

Целью работы является изучение спиральной антенны ДЦМВ диапазона, что подразумевает собой расчет геометрических размеров антенны, ее характеристик излучения.

3. Краткий обзор спиральных антенн

Спиральные антенны относятся к классу антенн бегущей волны. Они представляют собой металлическую спираль, питаемую коаксиальной линией. Имеется довольно много разновидностей спиральных антенн, однако почти все можно свести к следующим трем типам:

а) цилиндрическая (см. рисунок 3.1) ;

б) коническая (см. рисунок 3.2) ;

в) плоская (см. рисунок 3.3).

Рисунок 3.1 - Цилиндрическая антенна.

Рисунок 3.2 - Коническая антенна.

Рисунок 3.3 - Плоская антенна.

В зависимости от числа ветвей спирали, они могут быть однозаходные (одна ветвь), двухзаходные (две ветви) и т.д.

Принцип действия спиральных антенн

Спиральная антенна (рис. 4.1) состоит из проволочной спирали , питаемой коаксиальной линией. Внутренний провод этой линии присоединяется к спирали, а наружная оболочка - к металлическому диску.

Спиральные антенны формируют диаграмму направленности, состоящую из двух лепестков, расположенных вдоль оси спирали по разные стороны от нее. На практике обычно требуется одностороннее излучение, которое получают, помещая перед экраном (диском). Кроме того диск спиральной антенны служит для уменьшения токов на наружной оболочке коаксиальной линии, уменьшения колебаний входного сопротивления в рабочем. Диаметр диска выбирается порядка (0.8-1.5)l, где l - длина спирали. Диск не обязательно выполнять из сплошного листа, его можно изготовить из системы радиальных и круговых проводов.

4. Основа работы цилиндрической спиральной антенны

Подробные исследования показали, что на излучающей цилиндрической спирали одновременно существует несколько типов тока, отличающихся друг от друга амплитудой и числом периодов, укладывающихся вдоль оси спирали со своим затуханием и со своей фазовой скоростью. Однако форма диаграммы направленности спирали зависит, в основном, лишь от одной, преобладающей волны, тип которой определяется соотношением между длиной витка спирали и рабочей длиной волны.

Введем следующие обозначения:

Рабочая длина волны в свободном пространстве;

Т q - волна тока в спирали q-го типа; q=0,1,2…. Целое число, указывающее, сколько периодов волны тока укладывается вдоль одного витка спирали;

V q - скорость распространения волны тока Т q по проводу спирали;

С - скорость света в свободном пространстве;

D - диаметр витка цилиндрической спирали.

Известно три режима работы цилиндрической спиральной антенны:

Когда длина витка спирали меньше 0.65 (при этом длина волны >5D), на ней преобладает волна Т 0 , характеризующаяся изменением фазы тока в пределах 360 0 на протяжении нескольких витков. Волна Т 0 от конца спирали приводит к образованию стоячих волн, которые и формируют диаграмму направленности антенны. Волна Т 1 имеет весьма малую амплитуду и в излучении не участвует. Максимальное излучение для этого случая получается в плоскости, перпендикулярной оси спирали(рис 4.2а) и в этой плоскости оно не направлено.

Если длина витка лежит в пределах от 0.75-1.3 (длина волны соответственно =4D-2.2D), на ней преобладает волна Т 1 , фазовая скорость которой меньше скорости света V 1 0.82 C. Волна Т 1 интенсивно излучается всеми витками, поэтому в спирали устанавливается бегущая волна тока, формирующая максимум излучения вдоль оси спирали (рис 4.2 б). Имеющаяся также на спирали волна Т 0 быстро затухает по длине спирали и ее вклад в диаграмму направленности невелик.

Режим осевого излучения является основным, наиболее используемым режимом для работы спиральных антенн, поэтому волна Т 1 , являющаяся преобладающей, когда длина провода витка спирали примерно равна рабочей длине волны, называется основной.

При длине витка спирали, большей 1.5 (в этом случай <2D), на цилиндрической спирали помимо основного типа волны Т 1 возникают волны Т 2 , Т 3 и т.д. Волна Т 1 становится затухающей, в то время как Т 2 имеет постоянную амплитуду и является определяющей в излучении. Максимальное излучение получается в направлениях, образующих острый угол относительно оси антенны, и пространственная диаграмма получается в форме конуса

Рисунок 4.1 - схема возбуждения спиральной антенны.

Рисунок 4.2 - спирали, имеющие разный диаметр, и соответствующие им диаграммы направленности.

5. Расчет параметров цилиндрической антенны

Параметрами цилиндрической спирали являются:

n - число витков спирали,

Угол подъема витка,

R - радиус спирали,

l - осевая длина спирали,

S - шаг спирали,

L - длина витка спирали.

Между указанными параметрами существуют следующие соотношения (см Рис 5.1):

Рисунок 5.1

Диаметр витков спирали и шаг намотки должны быть выбраны таким образом, чтобы каждый виток имел поляризацию, близкую к круговой, и максимальное излучение в направлении оси спирали (ось Z). Кроме того, нужно, чтобы напряженности полей, создаваемых отдельными витками в направлении оси Z, складывались в месте приема в фазе или с небольшим сдвигом фаз. В соответствии с теорией антенны бегущей волны максимальный коэффициент направленого действия получается в том случае, когда сдвиг фаз A1 между напряженностью поля, создаваемого первым (от источника) витком, и напряженностью поля, создаваемого последним витком, равен.

Для обеспечения круговой или близкой к ней поляризации поля, а также для обеспечения интенсивного излучения каждого витка в направлении оси Z нужно, чтобы длина витка была близкой к. Сказанное можно пояснить следующим образом. Предположим, что шаг витка бесконечно мал, тогда виток образует плоскую рамку. Как известно, в спиральной антенне КБВ получается близким к единице. Предположим поэтому, что в спиральной антенне имеет место режим бегущей волны. Предположим, кроме того, что скорость распространения тока по витку равна скорости света. При этом сдвиг фаз между током в начале и в конце витка равен.

В направлении оси Z составляющие векторов напряженностей поля Ex и Ey будут одинаковой величины.Сдвиг фаз между этими составляющими будет равняться /2. Последнее следует из того, что токи в элементах витка, ориентированных параллельно оси X, сдвинуты по фазе на /2 по отношению к фазе токов в элементах, ориентированных параллельно оси Y. Равенство величин Ex и Ey и сдвиг фаз между ними, равный /2, обеспечивает круговую поляризацию. При длине витка, равной, и скорости распространения тока вдоль провода, равной скорости света, обеспечивается также интенсивное излучение в направлении оси Z. Последнее может быть приближенно доказано следующим образом. Рассмотрим два произвольных элемента витка, расположенных симметрично относительно центра, например элементы 1 и 2 (рис. 5.2). Каждый из этих элементов имеет максимальное излучение в направлении оси Z. Векторы E, создаваемые этими элементами в направлении оси Z, паралллельны касательным к окружности в точках 1 и 2. Сдвиг фаз между токами в элементах 1 и 2 вследтвии режима бегущей волны равен. Кроме того, токи в этих элементах имеют противоположные направления, что эквивалентно дополнительному сдвигу фаз, равному. Таким образом, поля обоих элементов в направлении оси Z складываются в фазе. Нетрудно показать, что любые два симметрично расположенных элемента создают в направлении оси Z синфазные поля, что обеспечивает интенсивное излучение в этом направлении.

Приведенное здесь элементарное изложение принципа работы спиральной антенны не учитывает всей сложности происходящих в ней процессов и, в частности, то, что в действительности имеет место значительное отражение энергии от спирали. Кроме того, волна вдоль антенны распространяется как непосредственно вдоль провода, так и через пространственную связь между витками, что создает более сложную картину распределения тока.

Рисунок 5.2.

Для обеспечения круговой или близкой к ней поляризации поля, а также обеспечения интенсивного излучения каждого витка в направлении оси Z необходимо, чтобы длина витка была близкой к.

Шаг намотки и диаметр витка выбраны таким образом, что сдвиг фаз между напряженностями полей, создаваемых первым и последним элементами витка, то в направлении оси Z сохраняется круговая поляризация и максимальное излучение. Это будет иметь место при удовлетворении соотношения:

2????????????????

Сдвиг фаз между полями начального и конечного элементов витка, определяемый разностью хода лучей от этих элементов; - сдвиг фаз полей этих элементов, определяемый сдвигом фаз токов этих элементов.

Из вышеуказанного уравнения получаем соотношение между L и S, соответствующее круговой поляризации:

Если выбрать соотношение между S и L в соответствии с этой формулой, то сдвиг фаз между полями, создаваемыми в направлении Z соседними витками, также будет равняться 2. Таким образом поля всех витков антенны складываются в фазе, что обеспечивает максимальное излучение в направлении оси Z. Однако такой режим работы спиральной антенны не соответствует максимальному значению КНД. Максимальный КНД получается при сдвиге фаз между полями первого и второго витков, равном. Для этого нужно, чтобы:

где n - число витков спирали.

Из (5.3) находим соотношение между и S, соответствующее максимальному значению КНД:

При удовлетворении соотношения (5.4), однако, не получается чисто круговой поляризации, при этом несколько увеличивается уровень боковых лепестков. Коэффициент неравномерности поляризационной характеристики в направлении оси спирали равен:

Если данные антенны подобраны в соответствии с формулой (5.2) или (5.4), то хорошие направленные свойства сохраняются в значительном диапазоне, лежащем примерно в пределах от 0.75 до 1.3, где - волна, для которой подобрано оптимальное соотношение между L, C/V1, n и S.

Расчет антенны:

Исходные данные к расчету антенны

Рабочий диапазон длин волн: min=0.48 m

Ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности - 40 градусов

Расчет геометрических размеров антенны

Выберем среднее значение длины волны из заданного диапазона:

На основании экспериментальных исследований были получены следующие эмпирические формулы, справедливые для 5

Ширина диаграммы направленности по половинной мощности, выраженная в градусах:

Коэффициент направленного действия(КНД) в направлении ее оси:

Входное сопротивление

Шаг спирали можно найти из условия (5.2), если необходимо получить круговую поляризацию, либо из (5.4), для получения максимального КНД.

Пусть нам необходима круговая поляризация, тогда

шаг спирали равен

Удовлетворяет условию 12 0 <<15 0 , значит мы можем применить формулы, полученные на основании экспериментальных исследований:

Для нахождения длины антенны, выразим l=nS из (5.7) при удовлетворении условия (5.9):

А значит число витков равно:

Для дальнейших расчетов округлим число n до целого: n=8, тогда

l=nS=0.986м(5.14)

Радиус спирали будет равен (см.рис.5.1):отсюда

Входное сопротивление антенны в режиме осевого излучения остается чисто активным, так как в этом режиме в проводе спирали устанавливается режим бегущей волны.

Пусть нам необходимо получить максимальный КНД, тогда

Чтобы излучение антенны было осевым примем длину витка спирали равной средней длине волны заданного диапазона:

шаг спирали равен

Угол намотки витков будет равен:

Для нахождения длины антенны, выразим l=nS из (5.7) при удовлетворении условия (5.18):

А значит число витков равно:

Для дальнейших расчетов округлим число n до целого: n=6, тогда

l=nS=0.846м(5.23)

Радиус спирали будет равен:

Длина провода для намотки спирали будет равна:

Коэффициент направленного действия:

Входное сопротивление

Для обоих случаев:

Диаметр диска экрана принимается равным (0.9-1.1) ср

Диаметр провода спирали выбирается порядка (0.03-0.05) ср

Расчет диаграммы направленности:

Приближенно можно считать, что амплитуда бегущей волны в спирали постоянна. Тогда диаграмма направленности антенны может быть представлена произведением диаграммы направленности одиночного витка на диаграмму направленности решетки из n ненаправленных излучателей, где n - число витков:

где - угол относительно оси спирали.

Это приближение справедливо тем больше, чем больше витков n имеет спираль и чем меньше шаговый угол.

Диаграмма направленности одиночного витка приближенно описывается выражением

Множитель решетки, как известно, равен

Применительно к спиральной антенне

сдвиг фаз между токами соседних витков. Учитывая, что С/V1=1.22, для расчета диаграммы направленности цилиндрической спиральной антенны получим следущее приближенное выражение:

В итоге при получении максимального КНД, будем иметь диаграммы направленности для трех значений длин волн: min , ср, мах:

При получении круговой поляризации, будем иметь диаграммы направленности для трех значений длин волн: min, ср, мах:

Согласование антенны с коаксиалом(Zв=75 ом)

Согласовать антенну с коаксиалом можно несколькими способами:

Согласование четвертьволновым трансформатором:

Согласование антенны с входным сопротивлением Z3=120 Ом с коаксиалом Z1=75 Ом осуществляют куском коаксиала с =95 Ом, длиной L==0.14м, а антенны с входным сопротивлением Z3=154 Ом с коаксиалом с =110 Ом

Согласование коаксиальной конической линией

Согласование осуществляют неотражающими конусами, длиною в целое число полуволн, путем выполнения проводников в виде соответствующих линейных конусов. Причем чем больше длина согласующего звена(укладывается больше полуволн), лучше будет осуществляться согласование с антенной.

6. Выводы по проделанной работе

спиральный антенна излучение поляризация

В процессе выполнения курсового проекта был проведен расчет однозаходной цилиндрической спиральной антенны: геометрические размеры антенны и характеристики излучения антенны. Так как в основе работы спиральной антенны лежит круговая поляризация, то данный тип антенн относят к широкодиапазонным антеннам. Ниже приведены полученные результаты:

шаг спирали S = 0.053 м;

длина витка спирали = 0.192 м;

радиус спирали = 0.03 м;

длина спирали Lz = 0.567 м;

коэффициент направленного действия D = 30 дБ;

входное сопротивление антенны Rвх = 31.7 Ом;

число витков спирали N = 6 ;

угол намотки витка спирали = 16 градусов;

диаметр диска антенны = 0.652 м;

рабочая длина волны = 0.175 м.

Список использованных источников

Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ.- М.: Связь, 1971. В 2-х частях.