Спиральная укв антенна. Спиральные антенны свч
Этот комментарий, который я приведу ниже по тексту, решил выделить отдельной статьёй. У его автора получилась спиральная антенна, которая в наихудших условиях приёма обеспечила работу одновременно двум телевизорам, причём без усилителей и разветвителей. Он назвал свою конструкцию БИСПИРАЛЬНОЙ, хотя такое название уже сочетается с двойной спиральной и с двух спиральной антеннами, которые представлены в разных вариантах и в разных функциональных назначениях. Однако из приведённого примера, вы поймете, что это нечто другое, которому ещё необходимо придумать название.
БИСПИРАЛЬНАЯ
Продавец отговаривал от покупки
приёмника DVB –T2: «Принесёшь обратно – не ловится у нас!» Между источником и
моим городом 35 км. Расстояние не угрожающее, но поперёк устроены три линии
ЛЭП-500, ЛЭП-750 – источники помех. Кроме этого, прямой сигнал загорожен возвышенностью
с плотной застройкой 16-тиэтажками.
31-й (551 МГц) и 51-й (714
МГц) частотные каналы.
Первой была изготовлена и испытана двух кольцевая
антенна. Она помогла нащупать единственный вариант направления приёма, показала
«проблески» ТВ-сигнала, отражённого под острым углом от девятиэтажного дома,
стоящего в
полу километре
.
Изготовил 7-витковую спиральную антенну,
рассчитанную на 31-й канал. Основой каркаса служат 4 отрезка полипропиленовой
водопроводной трубы (малый тангенс!), для квадратной спирали – одиночный медный
многожильный провод сечением 4 кв. мм в виниловой изоляции, пятиметровый
кабель. Результат вполне устроил, уверенный приём обоих пакетов. Пробовал
сделать подобную антенну по размерам 51-го канала (714 МГц), результат – 31
канал она «не ловит». Отсюда сделал вывод: расчёт спиральной антенны следует
выполнять на низкочастотный канал. Вывод номер два: широкополосность спиральной
антенны обусловлена её конструкцией (так утверждает Карл Ротхаммель), а не
диаметром намотанного провода.
Всё было замечательно до той поры, когда
жена попросила устроить ей телевизор ещё и на кухне. Серьёзное расстояние (плюс
13 метров) передачи высокочастотного сигнала – это проблема. Использование
краба, а также включение приёмников «цугом» не привело к результату. Испытал
три модели усилителей SWA, с лучшим из них интенсивность сигнала подрастала с
70 до 90, но качества на дальнем не было совсем! По отдельности приёмники с
этой антенной обеспечивали уверенный приём обоих пакетов.
Строить вторую антенну – загромождать балкон….
Решение
пришло. Что если на этом же каркасе устроить вторую спираль, поместив витки
между витками первой? Сказано-сделано, доработка была выполнена в 1,5 часа.
Результат замечательный! Для второй спирали я использовал провод с посеребренной
экранной обмоткой. Интенсивность и качество сигналов на дальнем (!) приёмнике
подросли на 15 пунктов. Не замечено влияния приёмников друг на друга с такой
антенной.
Известно, что при сложении сигналов от двух спиралей интенсивность сигнала
удваивается. Соединять спирали я не пробовал, а было бы интересно. Любопытно
также попробовать четыре спирали на общем каркасе…
Надеюсь, что эта информация окажется
полезной пытливым и рукастым!
P.S. если была бы кнопка «вставить изображение» - приложил бы фото.
Ну, а теперь – мой выход.
Трудно не согласиться, что очень нужная информация. Остаётся только сожалеть, что ресурс этого блога не обеспечивает сопровождение комментарий фотографиями. Да и сам этот комментарий не сразу проявился, а нашёл я его случайно в кулуарах блога и втиснул в нужное место только спустя две недели.
Сразу по ходу комментария просто уточню, что при сложении двух спиралей, как и других антенн, обладающих направленными свойствами, их общий коэффициент усиления увеличивается только на 3 дБ, если отсчёт усиления этих антенн идёт от полуволнового вибратора (по крайней мере так утверждает автор двухтомника «Антенны» Карл Ротхаммель и «Справочник радиолюбителя конструктора» под общей редакцией Р. М. Малинина).
Опыт автора приложенного комментария практически доказывает, что чем хуже условия распространения радиоволн, тем сильнее сказывается преимущество круговой поляризации, которой обладают спиральные антенны, и даже с учётом потерь в 3 дБ в случае приёма сигнала от телевизионного передатчика с горизонтальной поляризацией.
Теперь же необходимо придумать название этой самодельной антенны, которую испытал автор. Чтобы не запутаться в терминологии спиральных антенн я решил поинтересоваться уже известными названиями, и, таким образом, получилась
Отмечу также, что из всего многообразия антенн только спиральные лидируют по количеству геометрических форм и соответствующих им названий, а что касается двух и более спиралей, то варианты названий пропорционально увеличиваются.
Спиральная антенна с горизонтальной поляризацией.
Это две спирали, с противоположным шагом намотки, расположенные параллельно друг другу в горизонтальной плоскости, с одним общим отражателем, с рекомендованным расстоянием между осями равным 1,5 величины длины волны. Если спирали расположены в горизонтальной плоскости, то они обладают горизонтальной поляризацией, если в одной плоскости друг над другом, то поляризация вертикальная. Две спирали по шесть витков дают усиление 14 дБ, если сравнивать с полуволновым вибратором (напомню, что 6 витков согласно таблице этого же издания – это 11 дБ). Перед одиночной спиралью с волновым сопротивлением 120 Ом сдвоенные спирали обладают преимуществом, так как их общее сопротивление 60 Ом, и они проще согласуется с коаксиальным кабелем 50 или 75 Ом. При однотипной укладке спиралей поляризация будет круговой.
Реже используется конструкция спиральной антенны с горизонтальной поляризацией, где две спирали с разным направлением намотки соединяются по одной оси.
Двойная спиральная антенна.
В том же двухтомнике (особые типы антенн для УКВ и ДМВ диапазонов, глава 26. 8.) существует ещё один термин «двойная спиральная антенна », на самом деле это антенна по свойствам сравнима с четвертьволновым штырём, где последний выполнен в виде спирали, а функцию противовеса выполняет спираль большего диаметра.
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 отличается от других антенн, обладающих направленным излучением, в первую очередь тем, что ее поле излучения имеет круговую поляризацию. В случае применения такой антенны необходимо, чтобы как передающая, так и приемная антенны имели круговую поляризацию излучения.
Круговая поляризация имеет место, когда проводник наматывается в направлении излучения в виде спирали, причем необходимо, чтобы общая длина проводника в одном витке равнялась 1λ, что соответствует при учете коэффициента укорочения диаметру витка D, равному приблизительно 0,31λ. Предполагается, что для получения круговой поляризации используется по меньшей мере три витка, так как поляризация излучения будет тем ближе к круговой, чем больше витков имеет антенна. Простая спиральная антенна излучает в обе стороны в направлении своей оси. Для получения одностороннего излучения и увеличения коэффициента усиления антенны используется дисковый рефлектор.
Схематическое изображение спиральной антенны с необходимыми размерами приведено на рис. 11-3.
Спираль изображена на этом рисунке упрощенно. Диаметр спирали D , равный 0,31λ, может быть рассчитан по отношению к частоте по формуле $$D[см]=\frac{9300}{f[Мгц]}.$$
Зная диаметр витка, можно определить длину проводника, образующего виток L : $$L=D\cdot{3,14}.$$
К важным конструктивным размерам этой антенны относится также угол подъема спирали, который может меняться в пределах от 6 до 24°, однако на практике наиболее часто угол подъема спирали выбирают равным 14°, так как при этом антенна имеет оптимальные электрические параметры. При угле подъема спирали 14° расстояние между витками S равно 0,24. Это расстояние относительно частоты можно рассчитать по формуле $$D[см]=\frac{7200}{f[Мгц]}.$$
Диаметр дискового рефлектора выбирается небольшим, но всегда больше, чем 0,5λ, так как при этом входное сопротивление спиральной антенны при подключении рефлектора меняется незначительно. При больших диаметрах рефлектора увеличивается величина обратного ослабления. Наиболее часто диаметр рефлектора выбирают равным удвоенному значению диаметра витка спиральной антенны, т. е. 0,62λ. Рефлекторы могут быть как дисковыми, так и квадратными. В диапазоне дециметровых волн рефлекторы можно изготовлять из жести, а в диапазоне УКВ рефлекторы изготовляются обычно таким образом, как показано на рис. 11-4 или 11-7. Расстояние между рефлектором и началом спирали целесообразно выбрать равным 0,13λ. Относительно частоты это расстояние может быть определено по формуле $$A[см]=\frac{3900}{f[Мгц]}.$$
Входное сопротивление спиральной антенны почти не имеет реактивных составляющих и равно 120-150 ом в зависимости от размеров спирали. Питание антенны несимметричное с помощью коаксиального кабеля.
Спиральная антенна обладает широкой полосой пропускания. При расстоянии между витками S, равном 0,24λ, при допущении максимального КСВ в линии питания (1,35) соотношение частот, в пределах которых антенна работает удовлетворительно, равно 1: 1,6.
Коэффициент усиления спиральной антенны зависит от числа витков n , шага намотки S и длины витка спирали L и увеличивается приблизительно пропорционально с увеличением числа витков. При углах подъема спирали, равных 12-15°, и при наличии по крайней мере трех витков в спиральной антенне ее коэффициент усиления может быть рассчитан по формуле $$G[дб]=10\log{L^2}{Sn}\cdot{15}$$
При обычных на практике размерах шага намотки спирали S = 0,24λ и диаметра витка D = 0,31λ коэффициенты усиления (дб ) спиральной антенны, рассчитанные по этой формуле, при различном числе витков принимают следующие значения: 3 витка - 10,1 дб ; 4 - 11,3; 5-12,3; 6-13,1; 7-13,8; 8 - 14,4; 9 - 14,9; 10-15,3; 11-15,7 и 12 витков - 16,1 дб .
Если электромагнитные волны с круговой поляризацией принимаются на антенну, обладающую линейной поляризацией, то в этом случае теряется половина энергии, переносимой электромагнитными волнами, что соответствует потерям в 3 дб . Однако с помощью спиральных антенн можно излучать или принимать линейно поляризованные электромагнитные волны. Для этого используют группу из двух спиральных антенн с противоположной намоткой (т. е. если одна антенна имеет правостороннюю намотку, то вторая антенна имеет левостороннюю намотку). При этом если эти две антенны располагаются рядом друг с другом в горизонтальной плоскости, то поляризация поля горизонтальная, а если они располагаются одна над другой в вертикальной плоскости, то поляризация поля вертикальная. В случае, если обе спиральные антенны имеют одну и ту же намотку, то поляризация поля остается круговой, но параллельное соединение двух спиральных антенн дает очень удобное с точки зрения согласования антенны с линией передачи входное сопротивление (65-70 ом ). В этом случае становится возможным без включения дополнительных трансформирующих устройств непосредственно питать антенну при помощи обычного коаксиального кабеля. По сравнению с антенной «волновой канал», имеющей равное усиление со спиральной антенной, последняя занимает несколько меньше места и, кроме того, обладает полосой пропускания, значительно превосходящей полосу пропускания антенны «волновой канал».
Согласование входного сопротивления спиральной антенны с волновым сопротивлением линии передачи удобнее всего осуществлять с помощью коаксиального четвертьволнового трансформатора, сопротивление которого рассчитывается по известной формуле $$Z_{тр}=\sqrt{Z_A\cdot{Z}}.$$
Если положить входное сопротивление спиральной антенны Z A равным 125 ом и потребовать согласования этого сопротивления с коаксиальным кабелем, имеющим волновое сопротивление 60 ом , то волновое сопротивление такого концентрического четвертьволнового трансформатора должно быть равно: $$Z_{тр}=\sqrt{125\cdot{60}}=\sqrt{7500}=86,6 ом.$$
Из графика рис. 1-25 видно, что концентрическая линия имеет волновое сопротивление 87 ом, когда отношение внешнего диаметра внутреннего проводника к внутреннему диаметру наружного проводника равно 1: 4,4.
На рис. 11-5 показана практическая конструкция оформления четвертьволнового трансформатора со всеми необходимыми размерами.
Общая длина согласующего устройства с учетом коэффициента укорочения равна 0,24λ.
На рис. 11-6 показана спиральная антенна, рассчитанная на диапазон 2 м . Размеры спиральной антенны для диапазона 70 см обозначены в скобках. В данном случае диаметр рефлектора был выбран равным 1λ. Разумеется, диаметр рефлектора может быть уменьшен до 0,62λ без изменения всех остальных размеров антенны.
Для изготовления спирали особенно подходит 10-мм дюралевый прут, обычно применяемый для громоотводов, так как его очень легко сгибать. Спираль укрепляется на деревянных планках, а вся антенна в точке ее центра тяжести крепится к деревянной несущей мачте.
На рис. 11-7 изображена спиральная антенна, выполненная радиолюбителем DL 6MH.
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.
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.