Согласование спиральной антенны: Согласовать антенну с коаксиалом можно несколькими способами:

Содержание

StudyPort.Ru — Проектирование спиральной антенны

Содержание:

Цель работы и исходные данные*

Основные характеристики спиральных антенн.*

Основные моменты расчёта:*

Расчётные соотношения цилиндрической спирали.*

Расчёт цилиндрической спиральной антенны*

Коаксиальный трансформатор волновых сопротивлений передающего тракта*

Уровень боковых лепестков.*

Приложение*

Список литературы:*

Цель работы и исходные данные

Цель работы – рассчитать спиральную антенну, используя приведённые ниже в таблице данные.

Основные характеристики спиральных антенн.

Конструктивно спиральные антенны представляют собой металлическую спираль, питаемую коаксиальной линией. Спиральные антенны принадлежат классу антенн бегущей волны и основным режимом работы антенны является режим осевого излучения.

Также спиральная антенна формирует диаграмму направленности вдоль оси спирали.

Основные составляющие спиральной антенны:

1.Спираль из медной трубки.

2.Сплошной экран: В качестве экрана можно применить более дешёвый алюминий; расстояние от первого витка берут . В нашем случае — 2 см.

3.Согласующее устройство: для согласования надо применить согласующее устройство СВЧ так как входное сопротивление фидера 50 или 75 Ом, а сопротивление спирали 140 Ом; к тому же сопротивление спиральной антенны практически активное и для согласования можно применить конусообразный переход из коаксиальных линий передачи.

.





D1 d1
d2 D2















4. Питающий фидер.

5.Диэлектрический каркас: в качестве каркаса часто применяется твёрдый пенопласт. При этом расчетные соотношения останутся неизменными т.к. диэлектрическая проницаемость пенопласта практически равна диэлектрической проницаемости воздуха.

Основные моменты расчёта:

Для облегчения последующих расчётов введём обозначения:

Условное обозначение

Расшифровка

Значение

С

скорость света

300 (см)

F

рабочая частота

800 (см)

L (С/F)

рабочая длина волны в свободном пространстве

36.5 (см)

D

диаметр витка спирали (см)

Примечание: если длина витка спирали лежит в пределах от 0.75l до 3lтоизлучение С.А. максимально вдоль оси спирали. Это основной режим работы С.А

Расчётные соотношения цилиндрической спирали.

Условное обозначение

Расшифровка

n

число витков спиральной антенны

a

угол подъёма витка

R

радиус спирали

S

шаг витка спиральной антенны

L

длина витка спирали

.Развёртка витка спиральной антенны

S L


a

2PR

Основные соотношения следуют из рисунка:

  1. L =(2PR)+S
  2. Sina=S/L
  3. l=nS
  4. 2q0.5= ( Ширина диаграммы направленности по половинной мощности в градусах)
  5. D0=15n
(Коэффициент направленного действия)

(Входное сопротивление (Ом))

Расчёт цилиндрической спиральной антенны

Наиболее характерен режим спиральной антенны устанавливается при следующих условиях:

(См)

= , потому что

К.П.Д в этом случае близок 100 % , так как площадь сечения спиральной антенны достаточно велика:

См

Шаг спирали для получения круговой поляризации

См

Число витков спирали

(при округлении получаем витков)

Радиус спирали:

См

Ширина диаграммы направленности:

Диаметр диска экрана принимается равным (0.91.1). В нашем случае диаметр диска экрана См.

Диаметр провода спирали берется порядка (0.030.05) В нашем случае — См

Кроме того, в существующих условиях лучше взять медную трубку близкого диаметра т.к. токи высокой частоты текут лишь по поверхности металла.

Входное сопротивление требует согласующего устройства к линии 75 ом

Угол подъёма спирали из

Коаксиальный трансформатор волновых сопротивлений передающего тракта

Если длину конусной части () взять равной (в нашем случае см) этот переход работает как четвертьволновый трансформатор для согласования линии с разным волновым сопротивлением (75 Ом и 140 Ом).

Волновое сопротивление конусной части линии, должно быть:

  1. -волновое сопротивление конусной части перехода
  2. -волновое сопротивление подводящего фидера 75 Ом
  3. -волновое сопротивление спиральной антенны
Ом

По известному волновому сопротивлению определяем отношение диаметров элементов коаксиального тракта:

lg ( Ом )

Выбрав, в качестве подводящего мощность фидера РК-9-13 по допустимой предварительной мощности имеем: диаметр центральной жилы 1.35 мм. Отсюда определяем все размеры коаксиального трансформатора:

мм

мм

выберем равным мм., тогда мм.











В качестве основания спирали можно применить твердый пенопласт. Он не изменит электрических параметров антенны, т.к. по своим электрическим параметрам пенопласт близок к воздуху. При мощности передатчика 10 кВт и скважности 100 средняя площадь излучения примерно 100 Вт, при КСВ антенны лучше 1.35 отражённая мощность не более 5%, т.е. не более 5 Вт. Можно считать, что эта мощность и тепло рассеивается на спирали.

Уровень боковых лепестков.

Наряду с шириной луча очень важным параметром является уровень боковых лепестков, который можно определить через К.Н.Д. по формуле

где — это “эффективный уровень боковых лепестков”

или дБ.

Для уменьшения уровня боковых лепестков следует увеличить размер рефлектора и сделать его форму более сложной.

Эскиз рефлектора для уменьшения уровня боковых лепестков.

40 см








20 см

Рефлектор следует делать из листа толщиной не менее 3 мм, т.к. он является несущим для фидера спирали и какого-либо опорно-поворотного устройства.

Диаграмма такой антенны достаточно широка (>),так что особой точности наведения она не требует. Антенна достаточно проста в изготовлении и надежна в эксплуатации.

Приложение

Спиральная антенна

Диаграмма направленности

Список литературы:

1.Антенно-фидерные устройства СВЧ.

(под общей редакцией Маркова)

2.Антенны.

(Д.М.Сазонов)

3.Антенны и устройства СВЧ.

(В.В.Никольский)







Многозаходная спиральная антенна

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к области спиральных антенн, и может быть использовано в качестве приемопередающих антенн различных радиотехнических систем, например, на подвижных объектах.

Известна многозаходная спиральная антенна (см. Устройства СВЧ и антенны. Д.И. Воскресенский, В.П. Гостюхин и др. М.: Радиотехника, 2006 г,, стр. 283), содержащая диэлектрическое основание, на которое навиты N заходов токопроводящей спирали. Диэлектрическое основание прикреплено к металлическому экрану, к которому с внешней стороны присоединены коаксиальные линии, центральные проводники которых соединены с концами заходов спиралей, расположенных вблизи металлического экрана, а внешние проводники соединены с экраном. При этом активная часть входного сопротивления каждого захода спирали близка к 150 Ом, что при использовании стандартных коаксиальных линий, например 50-омных, плохо сказывается на согласовании антенны.

Вышеуказанное изобретение является наиболее близким по технической сущности к заявляемой многозаходной спиральной антенне и поэтому выбрано в качестве прототипа.

Недостатком указанного устройства является плохое согласование каждого из заходов спирали с коаксиальной линией.

Решаемой задачей является создание многозаходной спиральной антенны, обладающей повышенной точностью измерений.

Достигаемым техническим результатом является улучшение согласования спиральной антенны без изменения ее характеристик излучения.

Для достижения технического результата в многозаходной спиральной антенне, содержащей соосно установленные металлический экран с прикрепленным к нему диэлектрическим основанием, на которое навиты N заходов токопроводящей спирали, при этом экран соединен с внешним проводником каждой коаксиальной линии, новым является то, что между металлическим экраном и началом каждого из N заходов токопроводящей спирали дополнительно введено по витку спирали, один конец каждого из которых соединен с началом соответствующего захода токопроводящей спирали, а другой конец дополнительно установленного витка установлен на расстоянии L до металлического экрана и соединен с центральным проводником коаксиальной линии, при этом расстояние L определяется из формулы: , где d — диаметр проводника дополнительного витка, — диэлектрическая проницаемость среды, Z — волновое сопротивление линии.

За счет того что между металлическим экраном и началом каждого из N заходов токопроводящей спирали дополнительно введено по витку спирали, один конец каждого из которых соединен с началом соответствующего захода токопроводяшей спирали, а другой конец дополнительно введенного витка спирали установлен на расстоянии L над металлическим экраном, которое определяется исходя из волнового сопротивления образовавшейся несимметричной полосковой линии и волнового сопротивления коаксиальной линии, и соединен с центральным проводником соответствующей коаксиальной линии, происходит плавная трансформация волнового сопротивления коаксиальных линий к сопротивлению заходов спирали, тем самым обеспечивается улучшение согласования антенны без изменения ее характеристик излучения.

Изобретение поясняется фигурой.

Спиральная антенна содержит диэлектрическое основание 1, металлический экран 2, первый и второй заходы спирали 3. Каждый из заходов спирали 3 выполнен из металлического проводника. Диэлектрическое основание 1 прикреплено соосно узкой частью к металлическому экрану 2. Внешние проводники 4 коаксиальных линий 5 присоединены к металлическому экрану 2. Между металлическим экраном 2 и началом каждого из N заходов токопроводящей спирали 3 расположены дополнительные витки 6 спирали 3, каждый из которых с одной стороны присоединен к соответствующему заходу спирали 3, а с другой стороны присоединен к центральным проводникам соответствующих коаксиальных линий 7.

Спиральная антенна работает следующим образом.

Через коаксиальные линии 7 в заходы 3 спирали подаются СВЧ сигналы. В месте перехода от внутреннего проводника коаксиальной линии к заходу спирали возникают токи большой амплитуды. Для уменьшения их влияния на характеристики антенны введен дополнительный виток 6 спирали 3, расстояние от которого до экрана плавно изменяется по всей длине витка. При этом дополнительный виток 6 спирали 3 совместно с металлическим экраном 2 образуют нерегулярную полосковую линию, в которой основанием служит экран, а полоской — дополнительный виток спирали. Центральный проводник 7 коаксиальной линии 5 продлен над металлическим экраном на расстояние L и соединен с дополнительно введенным витком 6 спирали 3. Расстояние L определяется из формулы: , где d — диаметр проводника дополнительного витка, — диэлектрическая проницаемость среды, Z — волновое сопротивление линии.

При таком расстоянии L, при котором значение волнового сопротивления образовавшейся несимметричной полосковой линии близко к значению волнового сопротивления коаксиальной линии, дополнительный виток является трансформатором волнового сопротивления.

Таким образом, использование заявляемой спиральной антенны позволяет улучшить согласование каждого из заходов спирали, что способствует повышению точности измерений.

Был изготовлен опытный образец многозаходной антенны, испытания которого подтвердили достижения заявленного технического результата.







» Спиральная WiFi антенна Helix

Спиральная антенна (Helix antenna) была изобретена еще в 1947 году основателем теории спиральных антенн Джоном Краусом. Конструкция такой wifi антенны имеет ряд преимуществ перед панельными антеннами, такие как маленькая парусность, легкость изготовления в сочетании с доступностью материалов и широкополосность. WiFi антенна Helix имеет круговую поляризацию и в зависимости от направления намотки может быть право и левосторонней, поэтому важно помнить, что если мы делаем две wifi антенны для линка точка-точка, то намотку необходимо делать у обоих антенн в одинаковом направлении.
Такую антенну не рекомендуется ставить совместно с панельными, которые имеют горизонтальную и вертикальную поляризацию, что приведет к потере сигнала в 3db. В сети попадались несколько озадаченных людей, которые применяли helix в качестве облучателя тарелок и не учли тот факт, что при отражении поляризация меняет направление, поэтому будьте внимательны. Очень хочется собрать такую wifi антенну, тем более, что информации в сети достаточно, и в этой статье я постараюсь собрать из множества источников разные методы изготовления такой антенны своими руками. Самая распространенная конструкция хеликса на 2,4Ггц собирается на обычной ПВХ трубе диаметром 40мм, которую можно приобрести в любом магазине сантехники. Вот список необходимых деталей:

  — односторонний текстолит или любая металлическая пластина 13х13см
  — пластиковая труба диаметром 40мм
  — медный провод сечением 2мм в диаметре
  — клей, изолента
Для начала давайте определимся с исходными данными нашей будущей wifi антенны. Делать мы будем 24-х витковый хеликс, а центральную частоту для расчета возьмем равной 2437Мгц (шестой канал wifi диапазона). Исходя из этого с помощью калькулятора (в разделе скачать) рассчитаем необходимые параметры и получаем, что длина конструкции составит 74см, расстояние между витками 3,2см, усиление 19,9db.
Отпиливаем трубу нужной длины и проставляем на ней отметки через каждые 32мм. Можно поступить другим способом, распечатать заранее нарисованный шаблон, обклеить им трубу и использовать как разметку.




Берем провод, желательно без изоляции и мотаем на трубу по разметке, причем последний виток должен заканчиваться точно, как бы являясь продолжением первого. Хотя эта wifi антенна и прощает “кривые руки”, я настоятельно рекомендую делать все аккуратно и по возможности точно. После того как намотали провод, фиксируем концы изолентой и приклеиваем каждый виток к трубе. Теперь нужно вырезать рефлектор, который может быть как квадратной, так и круглой формы размером 13х13см (диаметр 13см). Рассчитываем место установки разъема, просверливаем, прикручиваем. Можно обойтись и без разъема, просто высверлив дырку под кабель. Как прикрепить рефлектор к трубе каждый решает сам, я дам лишь общее направление, фото ниже.



Входное сопротивление антенны Helix составляет 120-170 Ом и чтобы согласовать с нашим 50Ом кабелем нам необходимо добавить линию согласования, которая представляет собой прямоугольный треугольник со сторонами 17 и 71мм. Вырезаем треугольник, укладываем на трубу так, что гипотенуза это продолжение витка и припаиваем зауженной стороной к спирали а широкой к разъему.



Все, антенна готова, теперь можно заняться эстетикой, обмотав изолентой или обтянуть термоусадкой. Такая антенна без труда покроет видимое расстояние в 2-5 километров.



Напоследок хочется обратить внимание на то, как все же правильно делать такую антенну.
Я советую отказаться от пластиковой трубы, которая вносит свой коэффициент укорочения и потери на ВЧ, но антенна в силу своей широкополосности прощает нам и это. Для примера на фото более “правильные” антенны.



Обращаю ваше внимание, что антенна получилась не короткозамкнутая, поэтому стоит уделить внимание защите от статики.
Как говорилось ранее, антенна обладает высоким входным сопротивлением, почему мы и применяли линию согласования на последнем витке. Существует несколько способов согласования, некоторые из них, я думаю будут интересны моим читателям. Все подробности на фото ниже.




Поделиться записью


Спиральная антенна — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Спиральная антенна

Cтраница 1


Спиральная антенна является элементом таких, излучателей; ее достоинства уже отмечались выше. Питание подается на их синфазно с помощью общего проводника, расположенного у основания чаши. Коуглый стержень, поддерживающий антенну, присоединен к внутреннему проводнику коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 ом. Кабель с помощью разъема подключается к задней стенке рефлектора.  [2]

Спиральная антенна, имеет некоторые преимущества по сравнению с антенной волновой канал, но зато имеет менее прочную и трудно осуществимую конструкцию. Спиральная антенна может дать преимущества при сверхдальнем приеме, например с использованием отражения от Полярного сияния. Согласование спиральной антенны с коаксиальным фидерным кабелем осуществляется без дополнительного устройства.  [4]

Спиральная антенна, длина витка которой равна примерно одной длине волны в свободном пространстве, имеет излучение осевого типа. Это излучение максимально в направлении оси спирали и имеет, по существу, круговую поляризацию. Характеристики излучения обладают широкодиапазонными свойствами и относительно мало чувствительны к изменениям геометрических размеров спирали.  [5]

Спиральная антенна с осевым излучением, используемая для передачи сигналов на большие расстояния в диапазоне с.  [6]

Спиральная антенна широкополосна и может быть п р и м е и е п а на волнах вплоть до сантиметровых. В последнее время спиральные антенны все чаще применяются и исследуются. Возможно, что спиральная антенна найдет широкое применение в качестве облучателя параболического зеркала вследствие сильного уменьшения интерференционных помех и возможности вследствие этого увеличения дальности действия.  [8]

Спиральная антенна используется также для приема линейно-поляризованных колебаний, когда плоскость поляризации неизвестна или может изменяться. В таких случаях антенны, рассчитанные на прием линейно поляризованных волн, не пригодны. Так например, вектор напряженности поля может оказаться перпендикулярным вибратором синфазной антенны и сигнал приниматься не будет. Иное дело при использовании спиральной антенны. Линейно поляризованная волна состоит из двух волн круговой поляризации. Одна из этих волн всегда будет приниматься спиральной антенной независимо от того, как была ориентирована плоскость поляризации приходящей волны.  [9]

Спиральная антенна позволяет очень простым способом регулировать фазу высокочастотных сигналов.  [11]

Спиральная антенна обладает широкополосными свойствами, которые связаны с природой бегущей волны, распространяющейся в проводнике, и такую антенну можно непосредственно подсоединять к кабелю питания без дополнительного согласования волновых сопротивлений.  [13]

Арифметическая спиральная антенна ( рис. 8 — 45, а) имеет ленточные проводники постоянной ширины.  [15]

Страницы:      1    2    3    4    5

Спиральная антенна для Wi-Fi и 3G своими руками

Необходимо отметить следующие плюсы спиральной антенны. Во-первых это, конечно, очень большая устойчивость к «кривым рукам», т.е. даже неаккуратно собранная антенна будет неплохо работать. Во-вторых это широкополосность, которая сочетается с неплохим коэффициентом усиления даже при малом числе витков спирали.

Полагаю, что спиральная антенна — лучший вариант самодельной направленной антенны для Wi-Fi, 3G и 4G! На диапазонах CDMA ее также можно использовать. Спиральную антенну в конце сороковых годов прошлого века изобрел Джон Краус (John Kraus, W8JK). Антенна  имеет круговую поляризацию, но может принимать как вертикально-поляризованную волну, так и горизонтально-поляризованную, усиление при этом снижается на 3 dB по сравнению с расчетным.

При организации Wi-Fi сети точка-точка с применением таких антенн важно чтобы направления вращения спиралей относительно вектора перемещения электромагнитного поля совпадали, иначе такая система работать не будет. Рассчитать геометрические размеры антенны можно,  воспользовавшись онлайн калькулятором на нашем сайте . Конструкция антенны сложнее, например баночной, но эта сложность окупается стабильностью результатов. Вот файлы MMANA для спиральной антенны из 4, 12 и 15 витков.

Конструкция антенны для диапазона 2,4 ГГц для Wi Fi сети следующая (усиление до 11dBi):

  1. Вырезаем круг из оргстекла диаметром 80 мм и толщиной 3 мм. Это будет основа рефлектора. В центре сверлим 4 мм отверстие для держателя антенны.  Из центра проводим круг диаметром 42 мм, вписываем в этот круг равносторонний треугольник и сверлим отверстия 3 мм в вершинах этого треугольника для держателей спирали. Чуть в стороне от одного из вершин треугольника, на этой же окружности, сверлим отверстия для крепления коннектора. Далее рефлектор надо покрыть медной фольгой. Выбор в качестве материала оргстекла некритичен, можно, даже с большим успехом, применить фольгированный  стеклотекстолит.
  2. Присоединяем к рефлектору крепежный болт и N-коннектор. (вид сзади рефлектора)
  3. Вырезаем из тонкого 1,5-2 мм оргстекла верхний крепежный элемент для держателей спирали как на картинке. Важно, чтобы отверстия этого элемента совпадали с отверстиями для держателей спирали на рефлекторе.
  4. Далее из медной проволоки диаметром 2 — 3 мм изготавливаем спираль. Намотаем 6 витков на любую трубку диаметром 40 мм  и  растянем ее потом на длину 177 мм.
  5. Из оргстекла толщиной 5 мм вырезаем держатели спирали шириной также 5 мм и длиной 180 мм. В торцах держателей сверлим отверстия и нарезаем метчиком резьбу для крепежных винтов 2,5 мм.
  6. Из медной фольги толщиной 0,5 мм вырезаем прямоугольный треугольник со сторонами 71 и 17 мм. Поскольку входное сопротивление антенны составляет около 140 Ом, его надо согласовать с коаксиальным кабелем 50 Ом. Этот треугольник и будет согласующей линией. Автор этого плавного перехода Jason Hecker. Возможны и другие варианты согласования, например четвертьволновым отрезком длинной линии.
  7. Приложив к спирали шаблоны держателей, например из бумаги, отмечаем с их помощью места отверстий, через которые пропускается спираль. При этом главное не ошибиться. Сверлим держатели под спираль и получаем что то типа этого…
  8. Собираем готовую антенну. Прикручиваем держатели, пропускаем через них спираль, припаиваем к ней согласующую линию острым концом к спирали, широким к коннектору. Ставим верхний крепежный элемент. Готовая конструкция выглядит так:
  9. Спираль подключается к центральному выводу коннектора, это место можно сделать вот таким образом:

Пожертвовав немного усилением антенны, можно упростить конструкцию, применив в качестве рефлектора CD или DVD диск, провод толщиной 1 мм и спираль из четырех витков. В остальном конструкция остается прежней. Такая антенна имеет усиление около 7 dBi.

Есть еще один вариант антенны. Спираль наматывается на пластмассовую трубку. В качестве рефлектора используется металлический диск. Но все же использование в качестве несущей конструкции пластиковой трубы не самый лучший выбор. Мы же делаем антенну для СВЧ диапазона. Если спираль мотается прямо на трубке, и тем более, если ее покрыть сверху компаундом, то ее резонансная частота уйдет вниз. Правда обычно спиральная антенна прощает такие «вольности» в силу своей широкополосности, но на частотах выше 2ГГц лучшим вариантом будет описанный здесь, а не изображенный на рисунке ниже.

Хотя, как говориться — возможны варианты. Как видите вариант исполнения может быть самый разнообразный из любых подручных материалов. Надо понимать, что размеры, полученные с помощью нашего онлайн калькулятора не подходят для конструкции на трубке.

Расчет спиральной антенны есть в андроид приложении Cantennator, доступном на Google play. Вы его можете загрузить на свое мобильное устройство, нажав на кнопку ниже или по QR-коду. Не забудьте оценить приложение…


Самое главное в спиральной антенне то, что вам не надо «ловить миллиметры» при изготовлении. Это одна из немногих антенн, сочетающих в себе относительную широкополосность с большим коэффициентом усиления. Лучше — только параболическая.

Вконтакте

Одноклассники

Facebook

Мой мир

 

МАЛОГАБАРИТНЫЕ АНТЕННЫ ПЕРЕНОСНЫХ СТАНЦИЙ СВ СВЯЗИ

МАЛОГАБАРИТНЫЕ АНТЕННЫ ПЕРЕНОСНЫХ СТАНЦИЙ СВ СВЯЗИ ВВЕДЕНИЕ
     Широкое распространение передвижной связи на 27 МГц остро ставит вопрос об антеннах для таких средств связи. Этот вопрос усложняется тем, что использование четвертьволновых антенн, — длина которых составляет для диапазона 27 МГц 2,7 метра, во многих случаях неприемлемо. Использование укороченных антенн связано с целым рядом.специфических вопросов, которые в популярной литературе не рассмотрены, но при незнании которых эффективность средств СВ-связи может существенно ухудшиться.
     Для переносных СВ-радиостанций в основном используются несимметричные штыревые антенны. Это связано с тем. что антенны других типов просто практически невозможно использовать с таким типом радиостанций.

1. РАБОТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИ КОРОТКИХ АНТЕНН ПЕРЕНОСНЫХ СТАНЦИЙ
     Электрически короткая антенна состоит как из самой антенны, которая включав излучающий элемент, так и из элементов системы его согласования и системы его заземления. В соответствии с ним общее сопротивление антенны Ra состоит из сопротивления штыря (Rш) и сопротивления его заземления (Rз) (рис.1). Входит в формулу и «сопротивление среды» Rср. которое уменьшается при увеличении количества противовесов и длины антенны. Ra=Rш+Rз+Rcp
     Полезная ВЧ энергия рассеивается на Rш, поэтому нужно стремиться к уменьшению величин Rз и Rсp. В общем случае с помощью специальных методов можно замерить сопротивление «земли», но для практики можно принять, что сопротивление корпуса СВ радиостанции длиной 20…30 см, используемого в качестве противовесов, дли этой формулы составляет величину не менее 150…300 Ом.
     Контакт с рукой человека несущественно изменяет ну величину. Но подключение резонансного четвертьволнового противовеса длиной 2,7 метра снижает сопротивление земли Rз. Уже один противовес уменьшает сопротивление Rз примерно до величины не более 50…60 Ом. а при наличии трехчетырех противовесов можно считать Rз пренебрежимо малой величиной 5…10 Ом. Сопротивление среды определяется взаимодействием штыря антенны с его «земляной» системой. Если в полноразмерной четвертьволновой штыревой антенне это взаимодействие происходит в большом пространстве и имеет незначительную вследствие этого величину, то в укороченных антеннах электромагнитное взаимодействие короткой антенны с коротким противовесом происходи г в ограниченном объеме пространства. Причем любое вмешательство в этот объем существенно изменяет сопротивление среды, и. следовательно, оказывает значительное влияние на параметры такой антенной системы. Причем в такой антенной системе с укороченными элементами существенное увеличение одного из них. например штыря до величины четвертьволнового, или противовеса, не вызывает существенного снижения Rcp. И только увеличение (т.е. удлинение) как штыря, так и противовеса вызывает падение Rcp.
     Уже из этого можно заключить, что сопротивление короткой антенны СВ-станции — величина не постоянная, а переменная, которая, в частности, зависит от положения посторонних предметов (в том числе и оператора) относительно антенны.
     В общем случае хорошо согласованная антенна под влиянием этих факторов может полностью рассогласоваться.
     Из этого следует, что выходной каскад передатчика СВ-радиостаиции должен быть построен так, чтобы такое рассогласование существенно не влияло на его работу, и чтобы при устранении причин рассогласования выходной каскад продолжал нормально функционировать. Для этого необходимо, чтобы выходной транзистор имел 3…4-кратный запас по мощности. Необходим также компромиссный вариант согласующей цепи П-контура. допускающий работу на комплексную переменную нагрузку. Необходимо устранить самовозбуждение при изменении параметров антенны. Уже эти требования. предъявляемые к выходным каскадам СВ переносных станций, показывают, что подходить к их конструированию стоит весьма серьезно. Для передвижной автомобильной радиостанции, работающей на стационарную автомобильную антенну, требования к РА гораздо ниже. Это обусловлено использованием в качестве противовеса корпуса автомобиля, который является хорошей «землей» для СВ-антенны. Штырь, используемый для автомобильной СВ-антенны. имеет длину около метра, а во многих случаях и длиннее. Это создает предпосылки для работы автомобильной антенны с гораздо большим эффектом, чем антенны переносной станции. Существенно и то, что в зоне взаимодействия токов смещения в системе «штырь антенны — противовес» нет посторонних предметов, что делает Rсp для таких антенн стабильнее, чем в переносных станциях.
     Из всех существующих типов антенн СВ переносных станций можно выделить две группы — резонансные и нерезонансные антенны. Среди штыревых укороченных антенн из группы резонансных можно выделить спиральные антенны и штыревые антенны, удлиненные индуктивностью. Среди нерезонансных штыревых антенн целесообразно использовать лишь один тип — короткий штырь в составе выходного резонансного контура. В этом случае штырь является контурным конденсатором с распределенной емкостью.

2. СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА
     Спиральную антенну можно рассматривать как открытый спиральный резонатор [1]. В этом случае сама антенна является спиральным резонатором, цепь согласующего контура передатчика - продолжение спирального резонатора и входит в цепь его возбуждения, а внешнее пространство можно рассматривать как бесконечно удаленный экран (рис.2). Справедливость этих утверждений легко проверяется практически. Так, при изменении параметров согласующей цепи меняется резонансная час юта антенной системы. Даже весьма незначительное изменение концевой емкости антенны сильно меняет ее резонансную частоту [2]. И спиральные антенны сильно подвержены влиянию посторонних предметов. Уже приближение руки на расстояние 20 см приводит к рассогласованию антенны с передатчиком, т.к. из-зa изменения концевой емкости изменяется ее резонансная частота. Здесь уместно проводить настройку по методу, предложенному в [3]. Он заключается в том, что спиральную антенну настраивают так, что при приближении руки (или из-за иного рассогласующего влияния) напряженность поля сигнала возрастает, а затем уменьшается. В данном случае антенна настроена не точно в резонанс, а немного в стороне от него.
     Как показывают измерения напряженности поля, в этом случае напряженность поля составляет около 85% от напряженности поля при точном резонансе. Зато при испытании радиостанции с антенной, настроенной в резонанс, и с антенной, настроенной на скат характеристики антенны, преимущества последней очевидны. Так, при использовании станции с резонансной антенной в процессе радиосвязи при приближении антенны к человеку происходили значительные колебания напряженности поля. При использовании же радиостанции с антенной, настроенной на скат характеристики, рассогласующее влияние человека проявлялось гораздо слабее и колебание напряженности поля было незначительным. Исходя из этого, можно рекомендовать настраивать спиральные антенны по методу, предложенному в [З]. Лишь в случае, если спиральная антенна работает в условиях, где исключено влияние рассогласующих факторов, можно настраивать антенну по максимуму напряженности поля.
     При измерении напряженности поля, обеспечиваемою спиральной антенной и штыревой антенной с удлиняющей катушкой, оказалось, что настроенная в резонанс штыревая антенна длиной не менее чем в три раза большей. чем испытуемая спиральная антенна, обеспечила такую же напряженность поля. Из этого можно заключить, что в переносных станциях наиболее оптимальным вариантом антенны является спиральная, которая прочнее и проще в конструкции, чем такая же но параметрам штыревая антенна. При этом необходимо учтывать, что в данном случае короткий корпус радиостанции является лучшей «землей» для спиральной антенны, чем для такой же по параметрам штыревой. Но спиральная аненна. обеспечивая большую напряженность поля, создает предпосылки для неустойчивой работы передатчика.
     Действительно, при экспериментах выяснилось, что тот же самый передатчик, устойчиво работавший с внешней антенной с кабельным питанием, при подключении к нему спиральной антенны возбуждался. Лишь более тщательная экранировка и подстройка согласующих контуров позволила работать передатчику со спиральной антенной без самовозбуждения.
     Спиральную антенну, так же как и шгыревую, можно настраивать на рабочую частоту с помощью укорачивающей емкости и удлиняющей индуктивности. Применение емкости повышает резонансную частоту антенны, а использование индуктивности понижает ее. В данном случае для повышения КПД антенны необходимо, чтобы удлиняющая катушка была возможно меньшей индуктивности, а укорачивающая емкость - возможно большей величины. Применение таких элементов настройки позволяет использовать спиральную антенну в широком диапазоне частот, посколь-ку в зависимости от исполнения и качества согласования полоса пропускания спиральной антенны невелика и составляет 200…300 кГц в диапазоне 27 МГц.
     Есть еще один очень важный момент при использовании спиральных антенн. При подключении такой анненны через коаксиальный кабель ее резонансная частота вследствие внесения реактивности кабеля в комплексное сопротивление антенны и, соответственно его изменения. изменяется и ее необходимо подстроить.
     При построении спиральной антенны, как, впрочем, и любой другой укороченной антенны, следует обратить внимание еще на одну особенность этой антенной системы, заключающуюся в том. что при подключении четвертьволнового противовеса несколько изменяется резонансная частота этой антенной системы. Это можно объяснить тем, что противовес, имеющий свое Rз, изменяет Rсp. Меняется также и емкость «антенна — пространство». Расширяется полоса пропускания спиральной антенны примерно в 1.5…2 раза за счет снижения ее добротности и в то же время — за счет более эффективного излучения. В основном, при экспериментальном исследовании частоты резонанса спирали с четвертьволновыми противовесами не выходили за пределы полосы пропускания антенны. В то же время напряженность поля с четвертьволновым противовесом возрастала не менее чем в два раза.
     Спиральная антенна должна быть подключена по возможности короткими проводниками к выходному согласующему контуру. Это позволяет обеспечить необходимую полосу пропускания и минимальное паразитное излучение соединительной линии.3. ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ СПИРАЛЬНЫХ АНТЕНН
     Ниже рассмотрены практические конструкции спиральных антенн, опубликованные в литературе последних лет. Параметры антенн были измерены с помощью антенноскопа. Спиральная антенна, конструкция которой показана на рис.3, была опубликована в [4]. Испытания данной антенны показали, что четвертьволновой эта антенна является на диапазоне 21 МГц. Действительно, совместно с резонансным четвертьволновым противовесом сопротивление антенны здесь составило порядка 40 Ом. с небольшой реактивностью.

При подключении такой антенны к трансиверу с мощностью 40 Вт через коаксиальный кабель длиной около десяти метров и расположении антенны в проеме окна удалось провести несколько связей на 21 МГц с RST56-58, что еще более укрепило мое мнение о ее истинном резонансе. Но все же путем подстройки витков и емкости, как показано в [4]. удалось установть, что в диапазоне 27 МГц возможен ее резонанс, соответствующий эквивалентной длине антенны в половину длины волны.
     Полоса пропускания антенны на диапазоне 21 МГц была 200 Гц, на диапазоне 27 МГц — 250 кГц с четвертьволновым противовесом.
     Спиральная антенна, данные которой приведены на рис.4, относится к четвертьволновым антеннам. С помощью надстроечною штыря ее можно перестраивать в широких пределах — от 26 МГц до 35 МГц. На диапазоне 27 МГц ее входное Сопротивление с корпусом радиостанции было 1300м и полоса пропускания — 650 кГц. С четвертьволновым противовесом 65 Ом. Полоса пропускания была при этом 800 кГц. резонанс сместился на 200 кГц вверх. Следует заметить, что данный способ регулировки резонансной частоты антенны хотя и довольно удачен по своей простоте и эффективности, но все же снижает добротность спиральною резонатора и, как следствие этого, снижает эффективность антенны. Это выражается в снижении напряженности поля и в расширении полосы пропускания антенны.

Спиральная антенна, приведенная на рис.5 [5], при испытании на антенноскопе не показала резонанс на диапазоне 27 МГц и показала четвертьволновый резонанс в диапазоне 21 МГц. Совместно с четвертьволновым противовесом ее сопротивление здесь было 25 Ом при полосе пропускания в 250 кГц. Но при использовании снстемы согласования приведенной радиостанции [5] было выяснено, что в действительности в диапазоне 27 МГц достижим резонанс. Очевидно, здесь резонанс антенны происходит не за счет ее работы как четвертьволнового резонатора, а как П-конгура с распределенной емкостью. В этом случае спиральная антенна эквивалентна системе П-контуров, включенных на выход передатчика, емкость которых является емкостью антенны на землю. Излучение происходит за счет настройки в резонанс всей системы П-контуров передатчика. Однако измерения напряженности поля показали, что в этом случае использование спиральной антенны неэффективно. Такую же напряженность поля может обеспечить настроенная в резонанс с помощью удлиняющей катушки штыревая антенна длиной всего лишь в 1,3 раза больше, чем длина этой спиральной антенны.


Спиральная антенна, показанная на рис.6 [6], показала входное сопротивление на резонансной частоте диапазона 27 МГц 110 Ом с корпусом станции и 40 Ом с четвертьволновым противовесом. Полоса пропускания с корпусом станции была 300 кГц. с противовесом — 450 кГц. Благодаря тому. что верхняя ее часть намотана с разрядкой, влияние тела человека на настройку этой антенны не такое сильное, как в случае сплошной намотки. Подключение четвертьволнового противовеса изменяло частоту резонанса на 200 кГц вверх.

Была исследована антенна, используемая в радиостанции типа «Колибри-М2». Ее конструкция показана на рис.7. В диапазоне 27 МГц эта антенна показала сопротивление 100 Ом и полосу пропускания 300 кГц с корпусом станции, и сопротивление 47 Ом и полосу пропускания 200 кГц с четвертьволновым противовесом. Подключение четвертьволнового противовеса изменяло частоту резонанса на 120 кГц вверх. Именно антенны, показанные на рис.5 и 6. обеспечивали напряженность поля. сравнимую с напряженностью поля, ‘ развиваемой штыревой антенной с удлиняющей катушкой, с длиной штыря, в три раза превышающей длину такой спиральной антенны.

Практический вид АЧХ последних двух антенн показан на рис.8. Из этого рисунка видно, что АЧХ антенны несимметрична. При подключении четвертьволнового противовеса АЧХ несколько смешается вверх — примерно на. 100 кГц для диапазона 27 МГц, тем не менее полоса пропускания антенны позволяет ей работать в СВ-каналах. Знание АЧХ спиральной антенны позволяет правильно настраивать ее — не на середину рабочего диапазона, а чуть выше.

4. ИЗГОТОВЛЕНИЕ И НАСТРОЙКА СПИРАЛЬНЫХ АНТЕНН
     В литературе рекомендуется выполнять спиральные антенны на полиэтиленовом сердечнике коаксиального кабеля. Действительно, это оптимальный вариант материала для такой антенны. Кабель для изготовления спиральной антенны желательно использовать 75-омный, потому что он обычно содержит одиночный внутренний проводник, который легко можно вытащить плоскогубцами, зажав сам кабель за другой конец в тисках. Если использовать для изготовления каркаса антенны 50-омный кабель, который обычно имеет центральный проводник, состоящий из нескольких медных проводов, могут возникнуть трудности по их удалению. Простейший выход — это нагреть проводники, пропустив через них ток в 50…100 А с помощью какого-либо мощного источника тока. и затем быстро их выдернуть. Полиэтиленовый каркас имеет после удаления оплетки шершавую поверхность, что облегчает намотку провода с натяжением. Следует помнить, что спиральная антенна — это высокодобротная система, и если ее выполнить неаккуратно, под влиянием температуры ее резонансная частота может выйти за пределы диапазона, на который она настроена. При исследовании спиральных антенн выяснено, что их резонансная частота смещается на 50…80 кГц вверх при охлаждении их до температуры -15╟С. Антенна должна быть плотно обмотана изолентой во избежание смещения витков. а следовательно, и изменения резонансной частоты. Для этого подходит гибкая ПВХ-изолента. Липкая лента типа «скотч» не годится для этого из-за своей излишней жесткости.
     Следует заметить, что спиральная антенна это несимметричная система. К. передатчику ее следует подключать только тем концом, который указан в ее описании. При подключении антенн, показанных на рис.6 и 7, другим концом, они будут иметь уже совсем другие резонансы, далеко отстящие от диапазона 27 МГц. Даже при перемене конца подключения такой, казалось бы. симметричной антенны как на рис.5, происходит смещение ее резонанса из-за некоторой несимметричности выполнения антенны.
     Конструктивно удобно выполнять ее конец, подключенный к передатчику, с помощью разъема СР-50 или СР-75. путем заплавления туда пластиковой основы антенны. Oт металлического каркаса разъема до начала намотки спирали должно быть не менее 12 мм. При изготовлении антенны не обязательно стремиться к использованию основы указанного диаметра. Отступление в 2…3 мм вполне допустимо. Например можно использовать вместо 7-миллиметровой полиэтиленовой основы 9 мм, также ее можно использовать вместо 12 мм. Хотя параметры антенны при этом изменяются, ее вполне можно настроить на диапазон 27 МГц.
     Настраивают антенны, как и указано в описании, путем отмотки витков со стороны более плотной намотки. В случак изготовления всех описанных здесь антенн удалось настроить на диапазон 27 МГц путем отмотки части витков. т.е. они были заранее рассчитаны на резонансную частоту чуть ниже 27 МГц. Для эффективной работы антенны следует иметь хорошую «землю» станции, например металлический корпус. Если такового нет, необходимо проложить в удобном месте на всю длину станции медную или алюминиевую широкую фольгу. Такой противовес дает увеличение напряженности поля примерно на 15…20%, что примерно так же повышает дальность связи. В некоторых случаях он помогает убрать самовозбуждение передатчика.
     Размеры спиральной антенны можно считать оптимальными, когда ее длина примерно на 20% больше длины корпуса-противовеса. Если антенна меньше этой величины. повышается влияние на нее тела человека и других посторонних предметов. Дальнейшее увеличение ее не вызывает такого же увеличения напряженности поля, проще использовать четвертьволновой противовес для увеличения дальности связи.5. РЕЗОНАНСНЫЕ ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ, УДЛИНЕННЫЕ ИНДУКТИВНОСТЬЮ
     В переносных и передвижных СВ-радиостанциях используют антенны длиной 30… 100 см для переносных и до 1,5 метра для передвижных радиостанций. Рассчитав входное сопротивление активных частей таких коротких штырей для частоты 27 МГц, получаем значения от 0,5 Ом для 30 см до 10 Ом для 1,5 м. Конечно, подключать такие короткие штыри к выходному каскаду передатчика без соответствующего согласования неразумно. Во-первых, мал КПД самого такого штыря как антенны, во-вторых, согласование низкого сопротивления штыря с выходным каскадом передатчика весьма сложно. Наиболее рациональным решением, к которому пришли решая эту задачу, было то, что штырь входит в состав сложной системы, являющейся укороченной антенной. Далее здесь рассматривается эффективность работы штыря в такой системе.
     Классическая штыревая антенна представляет собой вибратор длиной в четверть длины волны и систему заземления под ним. В простейшем случае система заземления является системой четвертьволновых противовесов. Естественно, такую систему использовать для переносной станции затруднительно. Поэтому пытаются укоротить антенну и противовесы. Самое простое в этом случае - включить удлиняющую катушку в антенну. Но и здесь стоит вопрос, в какую точку антенны включить удлиняющую катушку для получения максимального эффекта. Роль системы противовесов играет корпус станции. Следует сразу обратить внимание на самый неэффективный способ удлинения короткой антенны — включение удлиняющей катушки в ее основание (рис.9). Максимальный ток, протекающий по антенне — в ее основании. Из теории антенн известно, что для получения максимального излучения антенны и, следовательно, максимального ее КПД, необходимо обеспечить максимальный ток в излучающем элементе антенны и максимальное напряжение на ее излучающем конце. Здесь максимальный ток протекает по катушке, поэтому максимальное взаимодействие со средой происходит через катушку.

Достоинство антенны с удлиняющей катушкой в основании только в том, что благодаря большой емкости штыря такие антенны имеют сравнительно большую полосу пропускания, позволяющую им работать во всем СВ или любительском диапазонах.
     Другой тип антенны — это антенна, удлиненная катушкой в своей середине (рис.10). Здесь уже достигается значительная сила тока в основании антенны, верхняя часть штыря играет роль емкостной нагрузки. Вследствие увеличения концевой емкости увеличивается полоса пропускания антенны до величины, позволяющей работать во всем СВ диапазоне, существенно возрастает и ее КПД.
     Штырь до катушки является основным излучающим элементом, он должен быть выполнен максимально толстым, тем более что он еще и держит на себе удлиняющую катушку. Штырь после катушки представляет собой уже емкостную нагрузку. Он может быть выполнен более тонким. Размещение на конце такой антенны даже небольшой емкостной нагрузки увеличивает эффективность ее работы, но уменьшает механическую прочность.
     Следует еще обратить внимание на то, что, в принципе, при плохой «земле», имеющей место в переносных радиостанциях, все типы коротких антенн работают одинаково плохо, и нет существенной разницы при их использовании. Но уже подключение четвертьволнового противовеса показывает разницу в эффективности разных типов антенн. Также наблюдается эффект и в передвижных автомобильных радиостанциях, где корпус автомобиля представляет собой эффективное заземление.
     Сопротивление идеальной четвертьволновой вертикальной антенны - штырь над идеальной проводящей поверхностью — составляет 36 Ом. Сопротивление идеальной укороченной антенны СВ диапазона, в зависимости от степени ее укорочения, составляет 10…20 Ом. Учитывая, что реальная «земля» таких антенн далека от идеальной, в общем случае такие антенны можно согласовать и с коаксиальным кабелем питания антенны в передвижной автомобильной станции (здесь обычно используют 50-омный кабель), и с выходным каскадом носимой радиостанции, плохая «земля» которой увеличивает сопротивление короткой антенны до 50…100 Ом.6.ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ ШТЫРЕВЫХ АНТЕНН, УДЛИНЕННЫХ ИНДУКТИВНОСТЬЮ
     В основном, все укороченные антенны переносных радиостанций имеют вид, приведенный рис. 11. Катушка индуктивностью около 2 мкГн и штырь длиной около 120 см представляют собой антенную систему, работающую в диапазоне 27 МГц. И только от различного исполнения катушки и штыря зависят КПД антенны и полоса ее пропускания. Антенна, изображенная на рис.7, приведена и во многих других, более ранних источниках [7, 8,9, 10].

При испытании антенн из [7, 8] для них использовалась идентичная удлиняющая катушка в 2 мкГн и были получены следующие результаты.
     Входное сопротивление с четвертьволновым противовесом — 35 Ом, с корпусом радиостанции — 80 Ом. Полоса пропускания на уровне половинной мощности (-3 дБ) — 600 кГц с противовесом, 750 кГц с корпусом радиостанции. Влияние человека, оказываемое на эту антенну, мало и ее реактивность малы. Смещение частоты при подключении четвертьволнового противовеса достигало 700 кГц.
     При испытании антенны из [9], где длина штыря была 80 см, удлиняющая катушка представляла собой 18 витков провода ПЭЛ 0,55, намотанных на каркасе диаметром 4 мм виток к витку, были получены следующие результаты.
     Входное сопротивление с четвертьволновым противовесом — 60 Ом, с противовесом-корпусом радиостанции -1100м.
     Полоса пропускания с четвертьволновым противовесом — 800 кГц, с корпусом станции — 900 кГц. Смещение резонансной частоты при подключении противовеса — почти 1 МГц.
     При испытании антенны из [10] с длиной штыря 0,8… 1,2 м удлиняющая катушка представляла собой 25 витков провода ПЭЛ 0,35, намотанных на каркасе диаметром 5 мм виток к витку, были получены результаты, аналогичные антенне из [9].
     Определенный интерес представляют и короткие антенны — длиной до 50 см. Тем более, что эти антенны не столь существенно проигрывают в дальности связи длинным антеннам — длиной около 1м.
     Антенна из [11] представляет собой штырь длиной 45 см с удлиняющей катушкой, содержащей 60 витков провода ПЭЛ 0,5 на каркасе диаметром 5 мм, намотанных виток к витку. При испытаниях такой антенны были получены следующие результаты.
     С четвертьволновым противовесом входное сопротивление — 75 Ом, полоса пропускания — 700 кГц. С корпусом станции в роли противовеса входное сопротивление — 120 Ом, полоса пропускания — 900 кГц. Смещение резонансной частоты при подключении четвертьволнового противовеса составило 1,2 МГц. Влияние человека на антенну выше, чем в длинных антеннах.
     Увеличение входного сопротивления и расширение полосы пропускания короткой антенны (45 см) по сравнению с длинной (1 м) говорит о том, что удлиняющая катушка короткой антенны низкодобротна. Но и увеличение добротности удлиняющей катушки мало влияет на эффективность работы таких коротких антенн. Подключение противовеса смещает резонансную частоту антенны вверх. Для эффективной работы радиостанции при подключении противовеса в данном случае необходимо предусмотреть оперативную регулировку индуктивности удлиняющей катушки.
     Желательно в трансиверах при переключении штыря антенны использовать различные удлиняющие индуктивности для приемника и передатчика. Это позволяет оптимально согласовать штырь как на прием, так и на передачу. Естественно, если сопротивление входа приемника и выхода передатчика отличаются несущественно, можно обойтись и одной удлиняющей катушкой, поскольку в этом случае смещение резонансной частоты системы при переключении RX/TX невелико. Но здесь уже необходимо решать из практических условий, что проще - переключать удлиняющие катушки или привести входы передатчика и приемника к одинаковой величине. В «фирменной» аппаратуре стремятся к последнему, хотя и встречаются варианты с подстройкой входа приемника при переключении антенны. В самодельной аппаратуре диапазона 27 МГц вопросу согласования антенн в режиме приема и передачи часто не уделяют должного внимания, что ведет к снижению эффективности носимых радиостанций.
     В [12] описана антенна с длиной плеч по 110 мм и удлиняющей катушкой в центре, имеющей 130 витков провода ПЭЛ 0,15, намотанных виток к витку на каркасе диаметрам 6 мм. При испытании эта антенна показала следующие результаты. С четвертьволновым противовесом входное сопротивление было 90 Ом, полоса пропускания . — 400 кГц, с противовесом-корпусом радиостанции входное сопротивление было 140 Ом, полоса пропускания — 600 кГц. Смещение полосы пропускания при подключении четвертьволнового противовеса составило 900 кГц. Добавление емкостной нагрузки, показанной на рис.13, позволило уменьшить смещение частоты при подключении противовесов до 600 кГц. Полоса пропускания при этом увеличилась на 50 кГц в обоих случаях. Входное сопротивление понизилось - с противовесом стало 75 Ом, с корпусом станции — 90 Ом. Напряженность поля возросла в 1,3 раза. Все это говорит о преимуществах емкостной нагрузки для таких типов антенн. Следует заметить, что более эффективно работает емкостная нагрузка, показанная на рис.12, но к сожалению, она сложнее в практической реализации, чем нагрузка на рис.13.

Сравнение величин напряженности поля, создаваемого антенной с центральной индуктивностью и удлиняющей индуктивностью у основания, показало, что на практике антенна с центральной индуктивностью, равная по высоте антенне с индуктивностью у основания, создает напряженность поля примерно в 1,4… 1,6 раза большую. При добавлении емкостной нагрузки преимущества такой антенны еще больше возрастают. Измерения были проведены при четвертьволновых противовесах. При использовании корпуса радиостанции в качестве противовеса преимущество антенны с центральной индуктивностью было слабее, напряженность поля была лишь в 1,2 раза больше, чем создаваемого антенной с индуктивностью у основания. Это говорит о том, что для переносных станций нет большого различия в типе используемой штыревой антенны, а вот для передвижных станций лучше использовать антенну с центральной нагрузочной индуктивностью. В любом случае желательно использовать емкостную нагрузку, даже в виде шарика диаметром 5…20 мм. Емкостная нагрузка дает эффект и при использовании ее с антенной с удлиняющей индуктивностью у основания. Практически для переносных станций можно использовать антенны из толстого медного провода диаметром 2…2,5 мм. Антенна меньшего диаметра менее прочна механически и имеет меньший КПД. Для изготовления антенн передвижных автомобильных станций можно использовать короткие «куликовки» или подходящие антенны от армейских радиостанций соответствующей длины и, главное, прочности.7. НЕРЕЗОНАНСНЫЕ ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ
     Нерезонансные штыревые антенны являются самыми неэффективными из всех существующих укороченных штыревых антенн. Они проигрывают по напряженности поля в 2…3 раза таким же по длине штыревым антеннам с удлиняющей индуктивностью, эти антенны гораздо более нечувствительны к влиянию человека. Но все же они еще используются, правда, в основном лишь в двух типах передатчиков.
     Использование таких нерезонансных антенн оправдано лишь в простых игрушках, дальность связи с которыми не выше 50… 100 м. Для более эффективной связи необходимо использовать лишь резонансную антенну, хотя перед ней и необходимо ставить развязывающие каскады для простейших схем. Как показывает опыт, западные простые радиостанции, потребляющие большую мощность, чем отечественные «Колибри», но работающие на нерезонансные антенны, обеспечивают гораздо меньшую дяльность связи.
     Третий случай использования коротких нерезонансных антенн — это неправильное построение выходного каскада передатчика с его цепями согласования с антенной. В результате этого при подключении к нему нормальной резонансной антенны, будь то полноразмерная или укороченная, происходит его самовозбуждение. Хотя такие передатчики часто и имеют П-контур на выходе, его действие неэффективно.8. МАГНИТНЫЕ РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ ПЕРЕНОСНЫХ СВ-РАДИОСТАНЦИЙ
Магнитные рамочные антенны мне не встречались ни в одной из переносных СВ-радиостанций. Но это не значит, что их использование в данном типе радиостанций нецелесообразно. Мной были изготовлены магнитные рамочные антенны для диапазона 27 МГц с размерами, показанными на рис.14.

Антенна показала следующие результаты. Входное сопротивление — 75 Ом, с очень малой реактивностью. Полоса пропускания — 600 кГц. Антенна была выполнена из двухмиллиметрового изолированного медного провода типа ПЭЛ, воздушный конденсатор настройки был укреплен на стеклотексто- литовом основании. Антенна оказалась весьма малочувствительной к влиянию человека и противовесов. Поскольку такая антенна в основном излучает магнитную составляющую электромагнитной волны, ее нельзя строго сравнить по такому показателю как уровень напряженности поля со штыревой антенной, потому что последняя излучает в основном электрическую составляющую электромагнитной волны, и замеры для штыря следует проводить по электрической составляющей ЭМВ, а рамки — по магнитной составляющей ЭМВ. Две антенны, изображенные на рис.14, были подключены к радиостанциям типа «Колибри-М» и была испытана дальность связи по сравнению со штатной спиральной антенной. Оказалось, что при прочих равных условиях дальность связи при использовании магнитных антенн была не менее чем в 1,5 раза больше на открытой местности, и в 2…3 раз больше в условиях города. При этом в значительной степени сказывалась направленность магнитной антенны.

Радиолюбитель 8/96
И.ГРИГОРОВ (RK3ZK, UA3-113), 308015, Белгород-15, а/я 68.
———————————————————————————

Приемо-передающая спиральная антенна

 

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно, к спиральным антеннам с эллиптической поляризацией. Может быть использована в качестве приемопередающих антенн различных радиотехнических систем, в частности, на космических аппаратах. Приемо-передающая спиральная антенна содержит диэлектрический каркас в форме вытянутого цилиндра. На каркасе расположены излучатели из металлических трубок в виде четырехзаходной спирали. Трубки второго и третьего заходов спирали содержат внутри себя питающие коаксиальные кабели, причем неодинаковой длины, разность которой обеспечивает фазовый сдвиг на 90 град в ортогональных заходах спирали. Превышающая по длине часть кабеля фактически является фазосдвигающим устройством, которое обеспечивает круговую поляризацию излучения антенны. В двух других трубках, первого и четвертого заходов, ближе к верхушке каркаса, размещены отрезки закороченного коаксиального кабеля в виде короткозамкнутых параллельных шлейфов, несущие функцию согласующих элементов, обеспечивающих согласование антенны по входному сопротивлению. Экраны коаксиальных кабелей припаяны к трубкам, внутри которых они проложены. В верхней части антенны соединены: центральный провод коаксиального кабеля — с противоположной трубкой, и центральный проводник короткозамкнутого параллельного шлейфа из этой же трубки — с трубкой кабеля. Для обеспечения изоляции проводников и механической прочности их соединения дополнительно установлены фиксаторы. Трубки зафиксированы на поверхности каркаса несколькими кольцами, выполненными из диэлектрического материала. В нижней части антенны расположено металлическое кольцо, которое электрически закорачивает трубки в месте своей установки. Основание антенны закрыто металлической крышкой, снабженной средством крепления на эксплуатирующем объекте. Предложенная конструкция антенны позволяет провести оптимальное согласование входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением питающего кабеля, подводимого к антенне в месте ее установки, и обеспечивают высокую механическую прочность для использования на движущихся объектах, в частности на космических аппаратах.

Назначение

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно, к спиральным антеннам с эллиптической поляризацией. Может быть использована в качестве приемопередающих антенн различных радиотехнических систем, в частности, на космических аппаратах.

Уровень техники

Спиральные антенны широко используются в различных радиоэлектронных системах, в том числе в системах навигации. К числу их достоинств относятся простота конструкции, относительно малые габариты, направленность излучения.

Многозаходные спирали могут иметь существенно меньшие габариты, поскольку могут функционировать как резонансные антенны.

Например, известны квадрифилярные спиральные антенны (четырехэлементные антенны). Каждый элемент такой антенны — спиральный проводник, который возбуждается от вывода полосковой схемы питания. В идеальном случае схема питания создает падающие волны с одинаковой амплитудой и со сдвигом фаз на 90 градусов («Расчет квадрифилярной антенны», авторы Сергей Банков, Александр Давыдов, Александр Курушин, «Современная электроника, 1-2008).

Известна квадрифилярная антенна по патенту РФ на изобретение 2395877, которая может быть использована в качестве антенны приемного устройства спутниковой навигации. Она позволяет принимать (передавать) волны с круговой поляризацией. Квадрифилярная антенна состоит из четырех спиральных излучателей, расположенных с угловым сдвигом на девяносто градусов, выполненных в виде трех металлических проводников — центрального и двух боковых, которые на одном конце соединены друг с другом, а на другом конце подключены к выходам схемы питания. Причем центральный и боковые проводники выполнены в виде полосковых проводников и имеют разную ширину w1 и w2 луг соответственно, отношение которых установлено в пределах:

,

зазоры s между центральным и боковыми проводниками выполнены одинаковыми, а их отношение к ширине центрального проводника установлено в пределах:.

.

Такое выполнение спиральных излучателей обеспечивает реализацию входного сопротивления антенны близкому к стандартному значению в 50 Ом, что улучшает согласование антенны, расширяет полосу рабочих частот и повышает ее коэффициент усиления. Эта антенна с полосковыми проводниками отличается высокой технологичностью, потому что ее можно выполнить в рамках технологии печатных плат. Однако она не всегда удовлетворяет требованиям по механической прочности, так как слой диэлектрика, на котором выполнены полосковые проводники, в силу особенностей технологии изготовления имеет достаточно малую толщину. Для улучшения механической прочности в конструкцию антенны вводится диэлектрический цилиндр, на поверхности которого размещаются полосковые проводники, формирующие спиральные излучатели.

Недостатком этой антенны является сложная технология изготовления и зависимость входного сопротивления от диаметра каркаса, что не позволяет обеспечить высокий КПД при малых установочных габаритах.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является спиральная антенна по патенту на изобретение РФ 2458438.

Изобретение относится к области радиотехники, а точнее к области спиральных антенн с двумя ортогональными поляризациями, и может быть использовано в качестве приемопередающих антенн различных радиотехнических систем, например, на подвижных объектах. Спиральная антенна содержит диэлектрический каркас, металлический экран, четырехзаходную спираль излучателей. Первый и второй заходы спирали выполнены из коаксиальных кабелей неодинаковой длины. За счет разницы длин обеспечивается сдвиг по фазе на 90 градусов в заходах спирали. Третий и четвертый заходы спирали выполнены из проводника круглого сечения, при этом диаметр проводника равен диаметру коаксиального кабеля. Диэлектрический каркас имеет форму усеченного конуса с ребрами и прикреплен широким основанием к металлическому экрану. Со стороны этого широкого основания первый и второй заходы спирали через высокочастотные соединители, закрепленные на металлическом экране, соединены с выходными плечами коаксиального тройника. Третий и четвертый заходы крепятся непосредственно на металлическом экране. С противоположной стороны диэлектрического каркаса, на верхнем основании центральные проводники коаксиальных кабелей первого и второго заходов соединены с противоположными им проводниками круглого сечения третьего и четвертого заходов.

При разработке конкретной антенны в технических характеристиках указывают выделяемую площадь посадочного места на эксплуатирующем объекте. Для космических аппаратов эта площадь существенно ограничена, а антенна-прототип требует значительного посадочного места на эксплуатирующем объекте (форма — усеченный конус с широким нижним основанием).

Недостатком этой антенны является то, что при малых заданных установочных габаритах на эксплуатирующем объекте требуется конструктивное исполнение с малым диаметром каркаса. При этом уменьшается входное сопротивление антенны, что влечет за собой уменьшение коэффициента полезного действия (КПД). Кроме того, антенна не подходит для использования в космосе, так как не предусмотрена защита от внешних космических воздействий и не достаточна механическая прочность (кабели не защищены и размещение их на каркасе не зафиксировано).

Рабочий диапазон предлагаемой приемо-передающей антенны — метровый. Стандартное значение входного сопротивления такой антенны — 50 Ом. При заданном диаметре посадочного места (например, 80 мм) антенна должна быть достаточно длинной для размещения нужного количества витков, поэтому целесообразно выбрать форму каркаса в виде вытянутого цилиндра, диаметр основания которого может подбираться в соответствии с требованиями к размеру посадочного места на эксплуатирующем объекте. Длина витков рассчитывается от заданной длины волны, равной 2,18 м. Диаметр витков может быть очень небольшим при выполнении условия минимизации посадочного места на космическом аппарате. А при малом диаметре витков имеет место уменьшение входного сопротивления антенны, которое становится значительно отличающимся от волнового сопротивления кабеля, что приводит к затуханию сигнала из-за рассогласования по входному сопротивлению. Если потери рассогласования значительны, то КПД существенно зависит от степени согласования линии с нагрузкой (Антенны. Г.Б. Белоцерковский. Государственное научно-техническое издательство Оборониздат, Москва, 1962, стр. 73). Таким образом, возникает задача согласования входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением кабеля. При этом точку запитки целесообразно расположить в верхней части каркаса, т.к. в этом случае схема симметрирования по конструкции наиболее простая, малогабаритная и широкополосная по сравнению с другими видами симметрирования.

Целью создания полезной модели является обеспечение высокого КПД антенны метрового диапазона с минимальными размерами посадочной части и высокой механической прочностью.

Технической задачей полезной модели является обеспечение наилучшего согласования входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением питающего кабеля, что обеспечивает высокий КПД. Одновременно конструктивным решением должны быть обеспечены минимальные габариты и достаточная механическая прочность для работы в условиях космоса.

Раскрытие полезной модели

Предложенная полезная модель содержит диэлектрический каркас в форме вытянутого цилиндра, диаметр которого определяется предоставляемыми размерами посадочного места на эксплуатирующем объекте. На каркасе расположены излучатели из металлических трубок в виде четырехзаходной спирали. Трубки второго и третьего заходов спирали содержат внутри себя питающие коаксиальные кабели, причем неодинаковой длины, разность которой обеспечивает фазовый сдвиг на 90 град в ортогональных заходах спирали. Превышающая по длине часть кабеля фактически является фазосдвигающим устройством, которое обеспечивает круговую поляризацию излучения антенны. В двух других трубках, первого и четвертого заходов, ближе к верхушке каркаса, размещены отрезки закороченного коаксиального кабеля в виде короткозамкнутых параллельных шлейфов, несущие функцию согласующих элементов, обеспечивающих согласование антенны по входному сопротивлению. Экраны коаксиальных кабелей припаяны к трубкам, внутри которых они проложены. В верхней части антенны металлические трубки изогнуты и размещены на верхней плоскости цилиндрического каркаса в форме условного креста, в центре которого попарно соединяются (например, пайкой) расположенные напротив трубки: -центральный провод коаксиального кабеля с противоположной трубкой, а центральный проводник короткозамкнутого параллельного шлейфа из этой же трубки — с трубкой кабеля. Для обеспечения изоляции проводников и механической прочности их соединения дополнительно установлены фиксаторы.

Основание антенны закрыто крышкой в форме перевернутого стакана, внутри которого размещены элементы фидерного тракта, включая средства вторичного согласования с внешним устройством.

Кроме того, вдоль цилиндрического каркаса установлены крепежные кольца из диэлектрика, охватывающие размещенные на нем излучатели, обеспечивающие механическую прочность конструкции. Также на цилиндрическом каркасе размещено одно перемещаемое кольцо из металла, закорачивающее в месте его установки все четыре металлические трубки, обеспечивая возможность настройки антенны при ее изготовлении.

Сущность полезной модели заключается во введении ряда признаков, направленных на первичное и вторичное согласование антенны по входному сопротивлению. Первичное согласование антенны обеспечивают короткозамкнутые параллельные шлейфы в виде отрезков закороченного коаксиального кабеля, расположенные внутри трубок первого и четвертого заходов спирали, и перемещаемое настроечное металлическое кольцо, закорачивающего все излучатели в подобранном при настройке месте. Вторичное согласование антенны обеспечивают размещенные внутри крышки основания антенны элементы фидерного тракта: трансформатор, шлейф и коаксиальные соединители.

При этом усиление механической прочности обеспечивается использованием металлических трубок в качестве излучателей, внутри которых размещены менее прочные коаксиальные кабели, и использованием крышки в основании антенны, снабженной средством крепления антенны на эксплуатирующем объекте (космическом аппарате), а также предназначенной для размещения внутри себя элементов фидерного тракта.

Первичное согласование проводится подбором длины отрезков коаксиальных кабелей (шлейфов), размещенных в первой и четвертой трубках излучателей и перемещением настроечного кольца, закорачивающего все четыре излучателя. После согласования сопротивления в верхней части антенны осуществляется вторичное согласование в основании антенны, точке объединения питающих кабелей, потому что даже уже согласованное сопротивление до 50 Ом после первичного согласования превращается в 25 Ом в месте параллельного соединения двух коаксиальных кабелей. После согласования антенны ее входное сопротивление становится равным 50 Ом, что соответствует волновому сопротивлению питающего кабеля. Это обеспечивает минимальные потери мощности сигнала в антенне.

Таким образом, введенные новые существенные признаки:

— форма вытянутого цилиндра,

— размещение кабелей в металлических трубках, являющихся излучателями,

— использование в качестве короткозамкнутых шлейфов отрезков коаксиальных кабелей, подбираемой при настройке длины и закораченного металлического настроечного кольца, которое можно перемещать при настройке,

— использование средств вторичного согласования антенны в области основания в месте соединения с внешним питающим кабелем

позволяют провести оптимальное согласование входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением питающего кабеля, подводимого к антенне в месте ее установки, и обеспечивают высокую механическую прочность, позволяющую надежное использование на движущихся объектах, в частности на космических аппаратах.

Использование вдоль всего каркаса антенны крепежных колец из диэлектрика, прижимающих излучатели к каркасу, фиксаторов в точке запитки и использование в основании антенны металлической крышки в виде стакана, позволяющей размещать внутри себя элементы фидерного тракта, включая средства вторичного согласования антенны, и размещение на этой крышке средства крепления антенны на эксплуатирующем объекте, дополнительно повышают механическую прочность антенны.

Перечень графических фигур

Фиг. 1. Конструкция приемо-передающей спиральной антенны

Фиг. 2. Схема соединения коаксиальных кабелей и параллельных шлейфов на макушке антенны

Фиг. 3. Размещение элементов фидерного тракта в крышке основания антенны

Осуществление полезной модели.

Приемо-передающая спиральная антенна состоит из излучателей, выполненных из медных трубок 1, 2, 3, 4 в виде четырехзаходной спирали, размещенной на корпусе 5 цилиндрической формы (Фиг. 1). Трубки второго и третьего заходов спирали (2, 3) содержат внутри себя питающие коаксиальные кабели, причем неодинаковой длины, разность которой обеспечивает фазовый сдвиг на 90 град в ортогональных заходах спирали. В трубках первого и четвертого заходов (1, 4), ближе к верхушке каркаса, размещены отрезки закороченного коаксиального кабеля в виде короткозамкнутых параллельных шлейфов. Трубки 1, 2, 3, 4 зафиксированы на поверхности каркаса несколькими кольцами 6 из диэлектрического материала, например из стеклотекстолита. В нижней части антенны расположено металлическое кольцо 7 (например, медное), которое электрически закорачивает трубки в месте своей установки. Основание антенны закрыто металлической крышкой 8 в форме стакана (выполненной, например, из алюминиевого сплава), внутри которого размещены элементы фидерного тракта, включая средства вторичного согласования с внешним устройством.

В верхней части антенны металлические трубки 1, 2, 3, 4 изогнуты и размещены на верхней плоскости цилиндрического каркаса 5 в форме условного креста (Фиг. 2), в центре которого установлены концы всех четырех кабелей и выполнено (например, пайкой) соединение: центрального провода коаксиального кабеля 9 и центрального провода короткозамкнутого параллельного шлейфа 10, расположенных в трубках 2 и 4 соответственно, и центрального провода коаксиального кабеля 11 и центрального провода короткозамкнутого параллельного шлейфа 12, расположенных в трубках 3 и 1 соответственно. Экраны питающих кабелей 9 и 11 припаяны соответственно к трубкам 2 и 3, а экраны отрезков согласующих кабелей (параллельных шлейфов) 10 и 12 припаяны соответственно к трубкам 4 и 1, внутри которых они проложены. Центральный провод каждого из питающих коаксиальных кабелей 9 и 11 соединен с соответственным ему экраном короткозамкнутого параллельного шлейфа, а центральные проводники 10 и 12, в свою очередь припаяны к трубкам 2 и 3 соответственно. Между центральными проводниками пар кабелей 9 10 и 11, 12 расположены фиксаторы 13 из диэлектрического материала — полиимида для разделения и изоляции друг от друга пар питающий кабель — шлейф.

На фиг. 3 показано размещение элементов фидерного тракта в крышке основания антенны. Крышка 8 основания антенны изготовлена из алюминиевого сплава и служит для размещения в ней элементов фидерного тракта: питающих кабелей 9, 11, коаксиальных соединителей 14, трансформатора 15, шлейфа 16, а также для защиты фидерного тракта от вредного воздействия космического излучения. Кабель 17 с коаксиальным соединителем 18 служат для соединения антенны с внешним устройством.

Настройку антенны производят следующим образом.

1. Подбирают расположение закорачивающего кольца 7 для достижения нормированной проводимости, равной единице, в точке запитки пары излучателей 2 и 4.

2. Изменением длины согласующего короткозамкнутого шлейфа 10 добиваются компенсации реактивности в точки запитки. При этом КСВ на конце кабеля 9 близок к единице.

3. Настраивают пару излучателей 3 и 1 изменением длины согласующего короткозамкнутого шлейфа 12 (аналогично п. 2), при этом КСВ на конце кабеля 11 также близок к единице.

4. Настраивают проводимость до нормированного значения, равного двум, в точке соединения питающих кабелей 9 и 11 с помощью трансформатора 15 и шлейфа 16 по методу Татаринова (метод описан в книге «Антенны. Г.Б. Белоцерковский. Государственное научно-техническое издательство Оборониздат, Москва, 1962, стр. 73»).

Таким образом, конструктивное решение приемо-передающей спиральной антенны метрового диапазона, благодаря наилучшему согласованию входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением питающего кабеля, позволяет достигнуть высокого КПД. При этом обеспечена возможность исполнения с малыми габаритными размерами, соответствующими заданным размерам посадочного места на объекте и достаточной механической прочностью для работы на космических аппаратах.

1. Приемопередающая спиральная антенна, содержащая диэлектрический каркас, на котором размещена спираль из четырёх излучателей, заходы которой выполнены с фазовым сдвигом в 90°, причем два коаксиальных питающих кабеля выполнены неодинаковой длины и часть кабеля, определяющая разность длин этих кабелей, фактически представляет собой фазосдвигающее устройство, отличающаяся тем, что каркас имеет форму узкого вытянутого цилиндра, излучатели, размещённые по поверхности каркаса, выполнены из металлических трубок, в двух из которых размещены питающие коаксиальные кабели, а в двух других вблизи верхней части каркаса размещено по одному отрезку закороченного коаксиального кабеля, несущему функцию короткозамкнутого параллельного шлейфа — для первичного согласования антенны по входному сопротивлению, причем экран каждого кабеля припаян к трубке, в которой он проложен, а центральный проводник каждого из питающих коаксиальных кабелей соединён с экраном соответствующего ему короткозамкнутого параллельного шлейфа, при этом антенна снабжена средством вторичного согласования, расположенным в основании антенны в месте подсоединения внешнего кабеля.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что содержит перемещаемое вдоль каркаса металлическое кольцо, закорачивающее все четыре излучателя, служащее элементом настройки антенны.

3. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что основание антенны содержит полую крышку из материала, устойчивого к ионизирующему излучению, снабжённую средством крепления на эксплуатирующем объекте, а внутри крышки размещены элементы фидерного тракта, включая средства вторичного согласования (трансформатор, соединители и шлейф).

4. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что металлические трубки в верхней части антенны изогнуты и размещены на плоскости цилиндрического каркаса в форме условного креста, в центре которого размещены фиксаторы для обеспечения защиты и изоляции соединений центрального провода коаксиального питающего кабеля и соответствующего ему короткозамкнутого параллельного шлейфа.

5 Антенна по п.1, отличающаяся тем, что вдоль цилиндрического каркаса с охватом размещённых на нем металлических трубок установлены крепёжные кольца из диэлектрика.

Микроволны101 | Антенны Helix

Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу главную страницу, посвященную конструкции антенн

Щелкните здесь, чтобы узнать об убийцах дронов, использующих спиральные антенны

Новинка января 2018! Эта страница была написана и предоставлена ​​Адрианом из Франции, поэтому постарайтесь читать ее с французским акцентом. А еще лучше запустите видео Дебюсси ниже в качестве фоновой музыки, сочиненное примерно в 1890 году, когда ему еще не было 30 лет, и подумайте о своих многочисленных достижениях (или недостатках) в юности… Узнайте, как правильно произносить его имя здесь.

Клод Дебюсси, «Арабески»

Общие

Антенны Helix не следует путать со спиральными антеннами. Плоские спиральные антенны излучают в обоих направлениях. Это непрактично для электромагнитной войны: мы хотим посылать электромагнитные волны врагу, а не нам! Трехмерные спиральные антенны могут излучать в одном направлении и являются широкополосными, но их усиление невелико, поскольку только небольшая часть антенны активна для данной частоты.

Спиральная антенна — это антенна, состоящая из провода, намотанного в виде спирали поверх конечной заземляющей поверхности. Основные параметры спиральных антенн:

  • r: радиус спирали
  • C: окружность
  • альфа: угол
  • N: количество туров
  • S: расстояние между оборотами
  • h: общая высота
  • r_reflector: радиус отражателя
  • Левша или правша

Некоторые параметры не являются независимыми и связаны отношениями:

C = 2 ∙ π ∙ r, S = C ∙ tan⁡α, h = N ∙ S.

Спиральные антенны имеют два основных режима: нормальный режим, когда размеры малы по сравнению с длиной волны, и осевой режим, когда размеры аналогичны длине волны. Помимо этих двух желаемых режимов, могут возникать паразитные режимы.

Моделирование

Лучший способ понять спиральные антенны — это взять существующую спиральную антенну и смоделировать ее в очень широкой полосе пропускания. Эта антенна предназначена для диапазона ISM 2,4 ГГц, но мы увидим, что происходит на других частотах.

Геометрические параметры: r = 20 мм, h = 600 мм, N = 21 виток, радиус_провода = 1,5 мм. Моделирование выполняется с помощью решателя CST Microwave Studio TLM, fmax 6 ГГц, 10 ячеек на длину волны, граничные условия PML (идеально согласованный слой) на расстоянии 10 мм, снижение энергии на 40 дБ.

Решатель TLM (матрица линий передачи) был выбран потому, что он не только хорошо обрабатывает провода, но также позволит нам моделировать отклонения от теоретической конструкции, например диэлектрические опоры, в будущих версиях этой страницы.

Спираль нормального режима

@ 10 МГц @ 200 МГц

Нормальный режим возникает, когда размеры спирали малы по сравнению с длиной волны: h << лямбда и C << лямбда. Такие антенны ведут себя как прямые диполи, но имеют большую эффективную длину, поэтому их легче согласовать. Обычно их используют для изготовления антенн для более низких частот.

На изображении ниже показаны диаграммы направленности в этом диапазоне. В диапазоне от 10 МГц до 100 МГц направленность почти идентична короткому диполю, в то время как направленность увеличивается с увеличением частоты. Обратите внимание, что этот график не включает потери на излучение и рассогласование, которые, как известно, высоки для коротких диполей. График пришлось перенормировать, потому что эффективность излучения была настолько низкой, что вносились численные ошибки!

На частоте 200 МГц (фиолетовый, самая большая кривая) диаграмма начинает отклоняться от диаграммы излучения чистого диполя.Это признак начала переходных режимов.

Шаблоны нормального режима

Антенны Rubber ducky работают в штатном режиме. Нет, это имя не мы придумали! В рациях часто используются спиральные антенны в нормальном режиме.

Искаженные моды

При переходе от чисто нормального режима к чисто осевому могут происходить интересные вещи. На частоте 300 МГц антенна имеет форму диаболо с нулем на радиальной оси. На частоте 1300 МГц форма прямая, с осевым пиком, но боковые лепестки слишком сильны для практического использования.

Диаграмма 300 МГц Диаграмма 1300 МГц

На следующем рисунке показаны диаграммы направленности в этом диапазоне частот. Волнистая линия указывает направление, в котором указывает спираль (это не какой-то сумасшедший узор!)

Шаблоны искаженного режима

Обратные режимы

От 1500 МГц до 1700 МГц антенна излучает в обоих направлениях!

Шаблоны обратного режима

В этом случае этот эффект показывает зависимость от размера отражателя, как показано на следующих рисунках.Который мы скоро опубликуем!

@ 1500 МГц
r_reflector = 50 мм
@ 1500 МГц
r_reflector = 70 мм
@ 1500 МГц
r_reflector = 100 мм

@ 1600 МГц
r_reflector = 50 мм
@ 1600 МГц
r_reflector @ 1600 МГц

r_reflector = 100 мм

@ 1700 МГц
r_reflector = 50 мм
@ 1700 MHz
r_reflector = 70 мм
@ 1700 MHz
r_reflector = 100 мм

При более близком рассмотрении корпус 1600 МГц / 50 мм:

В приемных приложениях вы не только получаете меньше сигнала из-за меньшего усиления в главном лепестке, но и получаете больше шума из заднего лепестка.В приложениях SATCOM, если ваша задняя доля направлена ​​к земле, а температура шума намного выше, чем у неба, вы получите много шума. При передаче приложений вы теряете мощность. В приложениях электромагнитной войны вы не только теряете мощность, но и атакуете свои собственные системы. Подумайте: насколько это было бы практично, если бы вместо антенны была пушка?

Этот эффект следует рассматривать как действительно опасный! Никогда и никогда не используйте спиральную антенну за пределами ее диапазона, не проверив дважды фактическую диаграмму излучения.

Спираль осевого типа

В этом режиме антенна излучает вдоль своей главной оси. Поляризация круговая.

1800 МГц 1900 МГц

Ниже приводится сводка осевых мод по частотам. Чистые диаграммы излучения, больше нечего сказать! Это то, что вам нужно для приложений с направленной энергией, таких как скремблер БПЛА.

Модели осевого режима

График направленности в зависимости от частоты показывает, что направленность сначала увеличивается с увеличением частоты, а затем внезапно уменьшается, прежде чем антенна внезапно перестает работать.Снижение направленности на высоких частотах — явный признак того, что происходит что-то не так.

Зависимость направленности от частоты в осевом режиме

Обратите внимание, что соотношение между минимальным и максимальным значениями составляет примерно 1,7. Это не совпадение. Это почти фундаментальный закон.

Моды высшего порядка

От ~ 3100 МГц до 6000 МГц картина меняется от уродливой до уродливой. У нас есть полный набор графиков каждые 100 МГц, спросите, хотите ли вы их. На 3100 МГц боковая нагрузка уже выше главного лепестка.

3100 МГц. Боковой лепесток выше главного лепестка

5000 МГц. Нулевой на оси.

В режимах более высокого порядка антенна излучает, но не совсем там, где вы хотите! Обратите внимание, что входной импеданс не очень сильно отличается от значения, ожидаемого для таких антенн, поэтому этот эффект может быть неожиданным, если антенна тестируется только на анализаторе цепей.

Импеданс в зависимости от частоты

Расчетные уравнения для осевого режима

Антенна хорошо работает когда:

Это приводит к соотношению fmax / fmin 1,8, что довольно близко к эксперименту. В этом режиме входной импеданс является приблизительно реальным и приблизительно равен:

В сочетании с предыдущим уравнением:

Что, опять же, очень близко к тому, что видно в симуляции.

Поскольку импеданс имеет некоторую дисперсию в рабочем диапазоне и не является чисто реальным, импеданс может быть просто аппроксимирован как 140 Ом на первом этапе проектирования.У вас есть гораздо более серьезные проблемы, такие как механическое строительство.

Согласование импеданса спиральной антенны

Первый и самый важный шаг при решении проблемы — это задать простой вопрос: «Что произойдет, если я абсолютно ничего не сделаю?» Давайте посчитаем потери рассогласования (ML) в системе с сопротивлением 50 Ом:

Потери рассогласования в 50 Ом

Обратите внимание, что потеря рассогласования может не дать полной картины. При передаче, если усилитель мощности обнаруживает плохое согласование, эффекты нагрузки могут заставить вас пожелать, чтобы у только были потери рассогласования… но вы можете обойти эту проблему с помощью ферритового изолятора.

В технической терминологии решение «ничего не делать» — отстой, но в некоторых случаях может быть приемлемым. Второй вопрос: «Какое самое простое решение для моей проблемы?» Не могли бы мы просто сопоставить с сопротивлением 140 Ом?

Потери рассогласования на 140 Ом

Если вы согласовываете с сопротивлением 140 Ом, ваши потери рассогласования будут ниже 0,4 дБ на всем диапазоне. Это вполне приемлемо, поэтому мы будем его придерживаться. Итак, давайте напишем это эмпирическое правило:

Микроволны101 Практическое правило!

Для большинства практических целей спиральная антенна с осевым режимом имеет входное сопротивление 140 Ом.Если вам нужна более высокая точность, не забывайте мнимую часть и слушайте ЭМ симулятор.

Давайте подберем спиральную антенну. Во-первых, вспомним непревзойденный S11:

.

Первая попытка простого четвертьволнового согласования с сопротивлением 140 Ом на центральной частоте (2, 4 ГГц, 90 °, Zl = 84):

Неплохо, но можно немного улучшить. После оптимизации:

Параметры согласующей линии: f0 = 2,4 ГГц, l = 0,2 λ, Zl = 89 Ом.Линия немного короче и с большим сопротивлением, что типично для емкостных нагрузок.
А с двумя строками:

Практически идеально. Дальше было бы доить мышь. Параметры: l1 = 0,27, Zl1 = 78 Ом, l2 = 0,14, Zl2 = 151 Ом. Здесь мы видим потенциальную проблему: 151 Ом — большое сопротивление, у нас могут быть проблемы.

Следующий шаг — реализовать это в реальной цепи, а не в идеальных линиях передачи. Один из способов сделать это — перевести предыдущие электрические значения в физические величины, но мы ленивы.Мы просто запускаем оптимизатор. Единственной мерой предосторожности было установить начальную длину линий примерно на 90 °, чтобы оптимизатор быстро сходился. Результаты показаны здесь:

Обратите внимание на сходство двух кривых. Это не совпадение.

Мы решили сделать эту согласующую схему на FR4. «Ты не в своем уме ?» Нет! Во-первых, FR4 не так плох, как мы думаем, особенно на низких частотах. Во-вторых, он обладает очень желательными качествами: он широко распространен, прост в изготовлении и механически прочен.Параметры подложки: er = 4,3, tg_delta = 0,013, h = 1,6 мм. Результаты оптимизатора: l31 = 18,6 мм, w31 = 1,32 мм, l32 = 10,7 мм, w32 = 0,16 мм. Здесь мы видим потенциальную проблему, напрямую вызванную потребностью в высоком импедансе: последняя линия довольно тонкая. Он не справится с мощностью нового усилителя мощности, который вы получили на Рождество.

На следующем рисунке показана фактическая мощность, поступающая на антенну, при доступной мощности на входе 1 Вт. Это полная эффективность согласующей сети, включая отраженную мощность и мощность, потерянную в согласующей сети.В переводе в дБ это -0,4 дБ. Что вы сказали о FR4?

КПД согласованной антенны

[ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ]

Список литературы

http://www.antenna-theory.com/antennas/travelling/helix.php

(PDF) Согласование импеданса спиральных антенн осевого режима

Изображение антенны, изготовленной из 4,25 витка, показано на рис.

Рис. 10. Лист ABS с окнами был изготовлен с использованием 3D-принтера

может использоваться в качестве опоры для предлагаемой спиральной антенны.Диэлектрическая проницаемость

нити ABS, используемой для печати, составляет около 3,5. Мы

должны указать, что использование любого материала в качестве опоры для спиральной антенны

увеличит емкостную часть в импедансе вывода

. Это значение будет больше для более высокой диэлектрической проницаемости и

опор большего размера. Соответствующая дорожка разработана и напечатана на

подложке Taconic RF-35 толщиной 1,52 мм. Конечное сопротивление

несогласованной спирали на опоре ABS составляет

 62 48.Используя кривые на рис. 7. и 8 характеристический импеданс

,

и длина согласующей линии равны

, полученным как  95𝛺 и  0,1𝜆 соответственно. Следовательно,

длина и ширина совпадающей дорожки равны 𝑙 

7,5𝑚𝑚 и 𝑤  0,98𝑚𝑚. Следует отметить, что управляемое преобразование длины волны

следует учитывать при вычислении длины дорожки

. Результаты моделирования и измерения обратных потерь

изготовленной антенны показаны на рис.10. Хорошее согласование

наблюдается на частоте 2,5 ГГц. Также была реализована большая полоса пропускания (1,62–3,2

ГГц) для изготовленной антенны, которая составляет около

1 октаву. Наблюдается почти хорошее сходство между результатами измерения

и результатов моделирования обратных потерь на рис. 11.

Рис. измеренные

возвратные потери

В этой статье мы исследовали характеристики импеданса винтовой антенны

в зависимости от диаметра провода,

и зазора между спиралью и землей.Было показано, что реактивное сопротивление

является емкостным с более высокими значениями для более тонкого провода.

Также было показано, что резистивная часть выше у более тонкого провода

. Мы предложили простую однотрековую согласующую линию для согласования

антенны с сопротивлением 50 Ом. На основе уравнения импеданса входа

линии передачи мы построили кривые согласования, чтобы оценить

длину и характеристический импеданс согласующей дорожки

для различных значений, вносимых спиральной антенной.Мы провели сравнение

между предлагаемым подходом

и подходом с открытым заглушкой

с точки зрения возможности согласования пропускной способности. Предлагаемый метод согласования

обеспечивает согласование по короткой линии, малые потери, широкополосное согласование

с простыми производственными преимуществами. Расчетные кривые

позволяют разработчикам легко найти подходящие размеры линий

для своих антенн.

[1] Дж. Д. Краус, «Винтовая антенна», в Proceedings of the IRE, vol.37,

нет. 3, стр. 263-272, март 1949 г., DOI: 10.1109 / JRPROC.1949.231279.

[2] А. Д. Шатров, А. Н. Сивов и А. Д. Чуприн, «Исследование многозадачных спиральных антенн

с малым радиусом и большим углом наклона на основе

собственных мод бесконечной спирали оболочки», Электронная литература, т. 30, нет.

19, стр. 1558-1560, 15 сентября 1994 г., DOI: 10.1049 / el: 19941099

[3] Дж. Вонг и Х. Кинг, «Широкополосные квазиконусные спиральные антенны», в IEEE

Транзакции на Антенны и распространение, т.27, нет. 1, стр. 72-78,

, январь 1979 г., DOI: 10.1109 / TAP.1979.1142033.

[4] А. Р. Джордфевич, А. Г. Зайич, М. М. Илич и Г. Л. Стубер, «Оптимизация

спиральных антенн [Блокнот разработчика антенн]», в IEEE Antennas

and Propagation Magazine, vol. 48, нет. 6, стр. 107-115, декабрь 2006 г., DOI:

10.1109 / MAP.2006.323359.

[5] Д. Э. Бейкер, «Измеренные характеристики широкополосной согласующей секции для

спиральных антенн с периферийным питанием», Труды Южноафриканского института инженеров-электриков

, т.76, нет. 2, pp. 56–61, 1985.

[6] AR Djordfevic, AG Zajic, MM Ilic и GL Stuber, «Оптимизация

спиральных антенн [Блокнот разработчика антенн]», в IEEE Antennas

and Propagation Magazine, т. 48, нет. 6, стр. 107-115, декабрь 2006 г., DOI:

10.1109 / MAP.2006.323359.

[7] А. Бутби, Р. Хванг, В. Дас, Дж. Лопес и Д.Й.С. Ли, «Конструкция

осевых спиральных антенн для доплеровских непрерывных бесконтактных датчиков

датчиков жизненно важных функций», 2012 IEEE Radio and Wireless

Symposium, Санта-Клара, Калифорния, 2012 г., стр.87-90, doi: 10.1109

[8] Дун Вэй Ляо, Синь И Ван, Бо Чжоу и Фэн Вэй, «Новый метод согласования импеданса спиральной антенны

», 2016 IEEE International

Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT),

Пекин, 2016 г., стр. 771-773.

[9] С. В. Савич, М. М. Илич и А. Р. Джорджевич, «Проектирование внутреннего согласования импеданса спиральных антенн

на основе проводов с использованием эквивалентной модели тонкого провода

», International Journal of Antennas and Propagation,

vol.2017, стр. 1–5, декабрь 2017 г.

[10] В. Вонгпайбул, «Улучшенный импеданс спиральной антенны в осевом режиме

Согласование с использованием треугольной медной полосы для беспроводной локальной сети 2,4 ГГц», 2008 г.

Международная беспроводная связь and Mobile Computing

Conference, Остров Крит, 2008 г., стр. 869-873, DOI:

10.1109 / IWCMC.2008.150.

[11] М. Кгвади и Т. Д. Дрисдейл, «Параметрическое исследование согласования широкополосных перестраиваемых спиральных антенн

», Конференция Лафборо и распространение

, 2014 г., стр.128-131, DOI:

10.1109 / LAPC.2014.6996337.

[12] CST Microwave Studio, версия 2018.

11.522.533.54

Fre

ГГц

-50

-40

-30

-20

-10

0

Моделирование

0

Измерение

Всемирная академия наук, инженерии и технологий

Международный журнал электроники и техники связи

Том: 15, №: 5, 2021

208 Международные научные и научные исследования и инновации 15 (5) 2021 ISNI: 0000000091950263

Open Science Index, Electronics and Communication Engineering Vol: 15, No. 5, 2021 waset.org / Publication / 10012027

Ссылки

5. Заключение 4. Произведенная антенна

ОПЕРАЦИИ WSEAS по ЦЕПЯМ и СИСТЕМАМ

DOI: 10.37394 / 23201.2021.20.8

Хосейн Мардани, Роберт

0003

Creative Commons Attribution License 4.0

(Attribution 4.0 International, CC BY 4.0)

Эта статья опубликована в соответствии с условиями Creative

Commons Attribution License 4.0

https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.en_US

Проектирование и тестирование спиральных антенн для РЧ испытательной установки

Абстрактные
Оборудование

RF необходимо для точного и систематического тестирования нескольких типов электронных устройств в электромагнитно тихой среде. Типичные радиочастотные объекты состоят из безэховой камеры, помещения, которое экранирует все внутри от внешнего электромагнитного излучения и предотвращает внутренние отражения распространяющихся электромагнитных волн, а также всего необходимого передающего и приемного оборудования, необходимого для радиочастотного тестирования.Требования для этого конкретного проекта предусматривали электромагнитные испытания в диапазоне от 500 МГц до 4 ГГц. Спиральные антенны были выбраны в качестве основного излучающего элемента из-за их круговой поляризации. Дополнительным преимуществом спиральных антенн является то, что их высокий коэффициент усиления сводит к минимуму количество потребляемой мощности, необходимой для достижения заданного уровня напряженности поля на определенном расстоянии. Чтобы охватить этот частотный диапазон с высоким коэффициентом усиления, вокруг промышленных трубопроводов из ПВХ были изготовлены 5 классов спиральных антенн.Из-за высокой диэлектрической проницаемости ПВХ бегущая электромагнитная волна распространяется через ПВХ с меньшей скоростью, чем по воздуху. Повышенная относительная диэлектрическая проницаемость ПВХ изменяет мгновенное распределение заряда по длине спирали, что снижает рабочую частоту антенны, поскольку возникают моды более низкого порядка. В этой статье анализируется влияние диэлектрической нагрузки на спиральные антенны и представлено новаторское изменение конструкции, которое компенсирует нагрузку.Традиционные методы проектирования будут сравниваться с новыми методами оптимизации Университета Миссури-Колумбия. Увеличение полосы пропускания антенн достигается с помощью методов согласования импеданса. Для просмотра двумерных диаграмм диаграммы направленности антенны в дальней зоне был сконструирован полностью составной поворотный стол, который управляется специальной программой LabVIEW. Программа LabVIEW упрощает тестирование антенн за счет автоматического управления поворотным столом, анализатором спектра в реальном времени и генератором сигналов в зависимости от настроек пользователя.Затем программа LabVIEW автоматически вычисляет и строит график усиления антенны, обрабатывая мощность принятого сигнала с помощью программы MATLAB, обе из которых были написаны собственными силами. Были сконструированы два разных типа антенн: традиционная спираль с воздушным сердечником и спираль с диэлектрическим наполнением, намотанная с использованием нового метода оптимизации. И традиционная антенна, и оптимизированная антенна, диэлектрически нагруженная куском ПВХ, были отправлены для коммерческой проверки. Эти результаты затем сравниваются с результатами испытаний Университета Миссури с использованием недавно построенного радиочастотного объекта.Было показано, что оптимизированный метод MU эффективен для компенсации диэлектрической нагрузки в спиральных антеннах по сравнению с традиционными методами проектирования, и что результаты его собственных методов тестирования хорошо согласуются как с коммерческими измерениями, так и с симуляциями CST.

Права

OpenAccess.

Это произведение находится под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 License.

Анализ вариантов рабочего режима для спиральных антенн

Многие антенны, развернутые в базовых системах связи, имеют линейную поляризацию, что означает, что для ориентации электрического поля поляризация ограничена одной плоскостью.Антенны с возможностью круговой поляризации дают больше возможностей для работы, потому что поляризация волны меняется во время ее распространения. Например, спиральные антенны могут генерировать волны с круговой поляризацией в осевом режиме работы. Радиочастотное моделирование можно использовать для оптимизации конструкции спиральных антенн.

Восходящая спираль: растущее число применений спиральных антенн

Спиральные антенны названы по спиральной геометрии, состоящей из одного или нескольких проводящих проводов, намотанных по спирали.Благодаря своей форме спиральные антенны могут излучать поля с круговой поляризацией. Их конструкция проста, но эффективна и может применяться различными способами, в том числе в очень компактных антеннах для использования в интеллектуальных имплантатах и ​​других устройствах RFID.

Спиральные антенны большего размера используются в системах радиосвязи, GPS и баллистических ракет, а также для внеземной связи со спутниками и космическими зондами, вращающимися вокруг Земли и Луны.


Спиральная антенна, используемая для спутниковой связи.Изображение находится в открытом доступе в США, через Wikimedia Commons.

Один из текущих проектов смело использует спиральную антенну там, где раньше не было спиральной антенны: Марс. Миссия НАСА «Внутренние исследования с использованием сейсмических исследований, геодезии и переноса тепла (InSight)» направлена ​​на изучение внутренней структуры Марса, включая его кору, мантию и ядро. Посадочный модуль на Марс будет собирать данные с поверхности, такие как температура и тепловой поток, чтобы дать ученым больше информации о том, как формируются скалистые планеты.Среди других инструментов, которые измеряют и передают информацию, посадочный модуль оснащен спиральной УВЧ-антенной, которая будет использоваться для связи с орбитальными космическими аппаратами-ретрансляторами.


Художественное изображение посадочного модуля InSight Mars. Изображение НАСА / Лаборатория реактивного движения-Калтех. Изображение находится в открытом доступе в США, через Wikimedia Commons.

Оптимизация конструкции спиральных антенн для этих приложений требует понимания их режимов работы. Это может быть выполнено с помощью радиочастотного моделирования.

Винтовые антенны: два режима работы

Спиральные антенны могут быть оснащены двумя плечами (токопроводящими проводами) для учета двух основных рабочих режимов:

  1. Нормальный
  2. Осевой

Подобно несимметричной антенне, нормальная антенна имеет линейную поляризацию, но благодаря спиральной форме она короче и компактнее. Антенна считается спиральной в нормальном режиме, когда окружность спирали значительно меньше длины волны, а ее шаг значительно меньше четверти длины волны.В нормальном или перпендикулярном режиме излучения диаграмма направленности антенны в дальней зоне аналогична диаграмме направленности в форме тора классической дипольной антенны.

В осевом или торцевом режиме излучения антенна излучает волны с круговой поляризацией. Одно из преимуществ волн с круговой поляризацией состоит в том, что они менее уязвимы для многолучевого замирания и имеют меньшую зависимость от поляризации, чем волны с линейной поляризацией. Антенна считается осевой спиралью, когда длина ее окружности близка к рабочей длине волны.Спиральная антенна работает в гораздо более высокой полосе частот, чем в нормальном режиме, работает аналогично решетке с торцевым огнем вдоль спиральной оси, генерируя направленную диаграмму направленности.

Возможность согласования импеданса, как в свернутой дипольной антенне

Преимуществом спиральных антенн с двумя плечами является возможность согласования импеданса. У односпиральной антенны импеданс намного ниже, когда она резонирует в нормальном режиме. Если вы добавите вторую антенну, закороченную на землю, она будет действовать как сложенная антенна, входное сопротивление которой в четыре раза больше, чем у дипольной антенны того же размера, что означает, что вы можете настроить низкое сопротивление, близкое к эталонному. коаксиального кабеля 50 Ом.


Модель двухлепестковой спиральной антенны и ее диаграмма направленности в осевом направлении. Визуализируется только половина диаграммы направленности.

Моделирование спиральной антенны с двумя плечами в программном обеспечении COMSOL Multiphysics®

Этот пример двухлепестковой спиральной антенны смоделирован с помощью модуля RF, который является дополнением к программному обеспечению COMSOL Multiphysics®.

Как показано ниже, геометрия модели включает двухплечевой спиральный излучатель, круглую пластину заземления (показана синим цветом), настроечный шлейф, коаксиальный кабель и идеально согласованный слой (PML), закрывающий воздушную область.Кроме того, две спиральные структуры намотаны вдоль оси z и встречаются на верхнем конце.

В этом примере все металлические части моделируются как идеальные электрические проводники (PEC), а пространство между внутренним и внешним проводниками коаксиального кабеля заполнено политетрафторэтиленом (PTFE). Для возбуждения антенны используется сосредоточенный порт коаксиального типа. Кроме того, все домены (кроме PML) объединены тетраэдрической сеткой с примерно пятью элементами на длину волны, а PML автоматически прокручивается вдоль направления поглощения через сетку, управляемую физикой.

В дополнение ко второй антенне, которая помогает регулировать импеданс, вы также можете добавить шлейф согласования импеданса для осевой моды, расположенный в центре пластины заземления. Обратите внимание, что пластина заземления, сферическая оболочка PML и максимальный размер ячейки регулируются автоматически в зависимости от длины волны для каждого рабочего режима.

Исследование результатов моделирования

S-параметры и диаграммы направленности дальнего поля рассчитываются в обоих рабочих режимах: 0,385 ГГц в нормальном режиме и 4.77 ГГц в осевом режиме. Результаты, показанные ниже, отображают значения электрического поля в логарифмической шкале для каждой моды. Вы можете увидеть разницу в напряженности поля вокруг антенны между нормальным режимом (слева) и осевым режимом (справа).

Измеренная в логарифмическом масштабе величина электрического поля вокруг антенны на частоте 0,385 ГГц (нормальный режим, слева) и 4,77 ГГц (осевой режим, справа).

Затем давайте взглянем на полярный график двумерных диаграмм направленности на плоскости yz . На этом графике показаны оба режима работы.Как и ожидалось, вы можете увидеть классическую диаграмму направленности в плоскости E дипольной антенны в нормальном режиме (синий) и диаграмму направленности в осевом режиме (зеленый).


Полярный график диаграммы направленности в дальней зоне на плоскости yz , при этом нормальный режим показан синим, а осевой — зеленым.

Вы также получаете визуализацию диаграмм направленности на трехмерном графике излучения в дальней зоне для каждой моды. S-параметры для обоих режимов менее -10 дБ.Когда вы смотрите на трехмерные диаграммы направленности в дальней зоне, эти результаты еще раз подтверждают форму дипольной антенны для нормального режима и форму решетки торцевого излучения для осевого режима.

Трехмерная диаграмма направленности в дальней зоне в нормальном режиме (слева) напоминает диаграмму направленности дипольной антенны. Трехмерная диаграмма направленности в дальней зоне в осевом режиме (справа) напоминает диаграмму направленности антенной решетки с торцевым направлением вдоль оси z , поддерживаемой заземляющим слоем.

Ниже график отношения осей показывает, насколько антенна имеет круговую поляризацию.Когда он характеризуется как идеальная круговая поляризация, осевое отношение составляет 1 или 0 дБ. Когда он ниже 3 дБ (внутри красного круга), это обычно считается круговой поляризацией. На рисунке осевое отношение ниже 3 дБ в точке прицеливания антенны, которая является основным направлением распространения осевой моды, параллельно оси спирального закручивания.


Осевое отношение в шкале дБ (синий) с линией 3 дБ (красный).

Моделируя спиральную антенну с двумя плечами, вы можете эффективно анализировать нормальный и осевой режимы работы, что может помочь вам улучшить конструкции антенн для наземных и внеземных приложений.

Следующие шаги

Хотите попробовать смоделировать спиральную антенну? Начните, нажав кнопку ниже.

Дополнительная литература

Чтобы узнать больше о моделировании антенн, ознакомьтесь с этими сообщениями в блоге:

SCIRP Открытый доступ

  • Йоахим Моба Ндонгила, Алиоха Нкодила Натухойила, Матье Лопоссо Нкуму, Люк Мокасса Бакумо Батане, Дезире Машинда Кулимба, Гленни Нсамби, Анатоль Кибади Капай, Дьедонне Монинза Лонжо Боламба

  • Huijuan Lu, Cunjian Yi

  • Муханед Альхассан, Хатем аль-Саади

  • Палома Алмейда Ковальски, Жоао Педро Арантес да Кунья, Эрика Канета Ферри, Наталия Сцильяно, Рэйчел Карвалью Лемос, Эмили Руис Кавальканте, Витор Кейси Медейрос Катаока, Фабиана Морейра Коутиньо, Эльтон Хироюки Итамурата, Леонриша Марзия, Летриша Диэроуки Итамура Морзия Роке Рибейро, Лукас Матеус Пинто, Савио Карвалью Кобианки, Пауло Отавио Соуза Леонель

  • Муаз Эльсайед, Омер Аладил Абдалла Хамид, Райан Тонга, Сара Мисбах Эльсадиг, Мохамед Хасан Ахмед, Мусааб Ахмед, Мохамед Халафаллах Саид

  • Амината П.Накулма, Мусса Компаоре, Наамвин-со-Бауфу Ромарик Меда, Лоран Поттье, Вероник Мегалицци, Исса Соме, Мартин Киендребеого

  • MARTIN — G8JNJ — спиральный смешанный режим

    Обратите внимание, что это экспериментальная всенаправленная антенна на 70 см, которая имеет как горизонтальное, так и вертикальное усиление, которая сейчас используется с WEB SDR

    Общества беспроводной связи Саутгемптонского университета.

    Диаграмма направленности оптимизирована так, чтобы пик приближался к горизонту, с постепенным уменьшением усиления по направлению к небу.Это предназначено для получения хороших результатов при работе со спутниками и слежения за воздушным шаром на большой высоте, в то же время обеспечивая максимальное приближение к горизонту для наземных операций с использованием как горизонтальной, так и вертикальной поляризации. Это делает его идеальным для использования на таких диапазонах, как 2 м и 70 см, где обычно используются обе поляризации.

    В качестве отправной точки я экспериментировал с однооборотной конструкцией «витого ореола» и решил попробовать сложить их, чтобы увидеть, смогу ли я добиться большего усиления.Моделирование показало, что растянутая спираль с 3 витками с окружностью спирали примерно 1/2 длины волны и общей длиной 1/2 волны на 70 см, и поданная с гамма-совпадением в центре, будет обеспечивать разумное усиление, всенаправленную диаграмму направленности. и смешанная поляризация. Добавление большего количества витков изменило режим распространения в сторону спирали осевого режима. Меньшее количество витков уменьшало усиление в обеих плоскостях поляризации и вызывало дисбаланс между усилением по горизонтали и вертикали.

    С момента первоначальной разработки этой антенны я впоследствии нашел статью под названием «Спиральная антенна», написанную Дж.Kraus, W8JK (SK), который был опубликован в Proceedings of the IRE Volume: 37 Issue 3 — 1949 Page: 263 — 272.

    В этой статье проводится различие между нормальным (всенаправленным) режимом излучения, когда окружность спирали меньше примерно одной длины волны, и осевым (лучевым) режимом излучения, когда окружность спирали составляет примерно одну длину волны.

    В нормальном режиме, в зависимости от геометрии спирали, излучение теоретически может быть эллиптически, плоско или циркулярно поляризованным.

    Для возникновения круговой поляризации отношение π x Диаметр спирали должно быть равно квадратному корню из (2 x Расстояние между витками x Длина волны).

    пи. D = SQRT (2.S.Lambda) [где D = диаметр, S = расстояние между витками, Lambda = длина волны, все в метрах]

    Таким образом, любая спираль, имеющая подходящее отношение диаметра к повороту, создаст диаграмму направленности излучения с круговой поляризацией, перпендикулярную длине спирали. Однако эта формула начинает нарушаться, когда длина спирали начинает превышать длину одиночного ½ волнового диполя.

    Любое отклонение от этого отношения приведет к эллиптической или линейной (только горизонтальной или вертикальной) поляризации.

    В случае моей антенны примерно такой же длины, что и диполь, и отношение диаметра к расстоянию, определенное в формуле, довольно близко 0,377 ≠ 0,387

    Итак, всего через 65 лет после публикации Крауса мне удалось достичь такого же соотношения!

    Затем график, показывающий смоделированное усиление в обеих плоскостях, при установке на высоте 10 м над землей и питании через коаксиальный кабель.

    Первая попытка практического проектирования — длина около 300 мм 100 мм между витками

    Прикрепил антенну к короткой пластиковой трубке в мастерской и проверил с помощью ручной люминесцентной лампы, чтобы убедиться, что распределение напряжения равномерно между витками. Зажигал лампу, а затем снизил мощность примерно до 5 Вт, чтобы я мог более четко видеть участки лампы, которые остались освещенными.Наблюдали четыре характерных ярких пятна одинаковой яркости (хотя на фото это не так четко) в каждой из точек высокого напряжения.

    Решил проверить разницу в напряженности поля между Горизонтальной и Вертикальной поляризацией, подключив антенну к выходу ВАЦ и небольшой диполь ко входу ВАЦ. Удерживая диполь примерно на 2 длины волны, он вращал его между горизонтальной и вертикальной поляризацией. Хотя это не идеальная среда для антенных измерений, уровни принимаемого сигнала для каждой поляризации очень похожи.Похоже, полоса пропускания между точками 3 дБ составляет около 8 МГц, что неплохо для элементов, сделанных из проволоки диаметром 2 мм. Трубка большего диаметра даст гораздо более широкую рабочую полосу пропускания.

    Окончательная версия, состоящая из 22-миллиметровой пластиковой водяной трубы и 5-миллиметровой медной автомобильной тормозной трубы.

    Витки медной трубы удерживаются на месте одним витком тонкой медной проволоки, намотанной вокруг трубы и припаянной к пластиковой трубе. Антенна имеет довольно высокую добротность, поэтому после сборки потребуется некоторая тонкая настройка.Я сделал последние витки немного длиннее, чем требовалось, а затем обрезал их до резонанса. Покраска антенны немного снизит резонансную частоту. Очень точная настройка может быть достигнута путем сгибания проволоки гамма-согласования.

    Две или три подходящие ферритовые пластины также должны быть размещены на коаксиальном кабеле внутри стрелы рядом с точкой питания, чтобы подавить синфазные токи и создать сбалансированную подачу.

    Опорная стрела была сделана с внутренней трубкой диаметром 22 мм и наружной трубкой из пластика диаметром 25 мм.Пластиковую прямую муфту для кабелепровода можно убедить надеть на 22-мм тройник, нагрея ее с помощью теплового пистолета.

    Вся сборка не является водонепроницаемой, поэтому коаксиальное соединение с точкой питания необходимо защитить чем-то вроде эпоксидной смолы, термоклея или силиконового герметика. Также необходимо просверлить небольшое отверстие в нижней части каждой пластиковой трубки, чтобы вся вода, которая собирается внутри, могла стекать.

    Один из конструкторов, Фонс Буйтелаар, предоставил копию своих расчетов, основанных на размерах, которые я использовал.Это дает хорошее представление о том, какие размеры лучше всего выбрать.


    График, показывающий измеренное входное сопротивление и КСВ.

    Пока все хорошо, вроде все работает как и ожидалось. Эта антенна сейчас используется по адресу: —

    Общество беспроводной связи Саутгемптонского университета Farnham WEB SDR.

    Энди Талбот, G4JNT http: // www.g4jnt.com/ также сконструировал версию этой антенны, используя немного иную технику крепления.

    Энди изменил направление коаксиального кабеля так, чтобы он проходил через центр спирали.

    Это упрощает механическую конструкцию, но может повлиять на полярную диаграмму, вызывая некоторый эксцентриситет, особенно в горизонтальной плоскости.

    Энди прокомментировал свою сборку: —

    «Мне удалось успешно создать макет антенны с короткой спиралью на веб-сайте Мартина, используя медную тормозную трубку диаметром чуть меньше 5 мм.Он находится в свободном пространстве и поддерживается только в центральной точке, проходя через два диаметрально противоположных отверстия в куске стекловолоконной трубки.

    Моя самая большая проблема заключалась в том, какую длину отрезать катушку для начала. На схеме показано всего три витка диаметром 120 мм и общей длиной антенны 330 мм. Итак, первая оценка необходимого материала будет равна 3 * окружности плюс длина, то есть 3.3PI.120 мм + 330 мм = 1470 мм, что кажется немного большим, но все равно так и было.

    Я намотал его с предложенным шагом и диаметром (110 мм и 120 мм соответственно, добавил гамма-соответствие, используя указанные размеры, И …

    Поворотов было слишком много, но я измерил, какая производительность была в этот момент, и получил хороший резкий пик на слишком низкой частоте 360 МГц. Очевидно, очень ошибся в расчете длины необходимого материала. Поэтому отрежьте куски проводника — к счастью, медная труба хорошо режется большими кусачками — и после небольшой тонкой настройки получил хороший провал на частоте 435 МГц.

    Измерить окончательную длину требуемого проводника немного сложно, но после нескольких попыток использования отрезка струны рядом с витками кажется, что его длина составляет от 545 до 550 мм с каждой стороны, то есть всего от 1090 до 1100 мм. Поэтому я предлагаю строителям начинать с 1150-1200 мм, чтобы попасть в диапазон измерительного оборудования, предполагая, что имеется только 70-сантиметровая установка и мост КСВ, и идти оттуда. У меня есть DG8SAQ VntA, поэтому я могу измерять любую частоту

    Даже не пробовал изменять размеры гамма-совпадения, так как возиться и паять медную трубу — неприятная работа, и, получив разумное совпадение с самого начала, он может оставаться как есть! Небольшой изгиб гамма-провода, как было предложено, изменил глубину надреза и позволил пиковое значение R1 28 дБ в одной точке.Оптимальная частота согласования немного изменилась, но ничего, что нельзя было бы компенсировать, слегка согнув элементы

    Согласование довольно четкое, с резким падением до уровня обратных потерь лучше 20 дБ и шириной в точках RL -13 дБ всего 1,8 МГц. Так что это антенна с довольно высокой добротностью. Центральную частоту можно немного сместить, сгибая элементы, чтобы получить точное место, ПРИНИМАЯ, что они не были обрезаны слишком коротко для начала.

    Теперь немного о гидроизоляции. ИЛИ, я мог бы просто построить еще один, используя пластиковые сантехнические детали, как показывает Мартин «

    « И, теперь реализовано Я накрутил его для левой CP или, по крайней мере, использовал спираль LH. Никогда даже не думал об этом аспекте.»


    Энди также отметил, что ширина антенны довольно узкая, и поинтересовался, не связано ли это с использованием гамма-согласования.

    Я не уверен, что это связано с гамма-совпадением, которое вызывает узкую полосу пропускания, я подозреваю, что это может быть связь между витками спирали, которая формирует настроенный контур с высокой добротностью, немного похожий на большой спиральный резонатор (который действительно что это такое).

    Отчасти поэтому я добавил такую ​​жесткую опорную конструкцию, чтобы сохранить постоянное расстояние между витками и предотвратить отклонение частоты при установке на мачту.

    Благодарю Энди за разрешение использовать эту информацию.

    Создайте спиральную антенну | AMSAT-UK

    После использования 12 x 12 эл. пересек Яги на 2м. на год или около того для работы спутников, в основном АО-13, АО-10, УО-22 и КО-25. Я решил построить спираль, чтобы провести несколько сравнений.

    На этом этапе я предлагаю вам прочитать мою статью «Антенна слежения за спутниками», чтобы получить представление о том, как антенна установлена. Высота поворота составляет всего 3 метра. над землей, а штанги смонтированы на торцах, так что переставлять вещи и сравнивать результаты — не большая работа.Информация была получена из многочисленных публикаций, включая «Справочник спутникового экспериментатора», «Спутниковую антологию» и публикации ARRL, «Антенны» доктора Дж. Д. Крауса, а также личный вклад друга Верна «Rip» Riportella WA2LQQ.

    Конструкция спиральной антенны механически немного сложнее, чем Yagi, и для правильной работы требуется отражатель позади нее. Для достижения наилучших результатов этот отражатель должен иметь диаметр в 1 длину волны, хотя можно обойтись и 3/4 длины волны.Другой недостаток в том, что он должен быть намотан либо R.H.C. Поляризация или L.H.C. Поляризация.

    Положительными моментами являются широкая полоса пропускания, способность работать на 20-30% выше и ниже расчетной частоты, что делает его полезным для погодных спутников. и т. д. Это также очень снисходительно, когда речь идет о его размерах при строительстве.

    СТРОИТЕЛЬСТВО

    Расчетная частота этой антенны составляет 145 МГц.

    Основная стрела 25 мм. кв.стальная оцинкованная труба сечением 1,6 мм. толщина стены, и 5м. длинный. Это для спирали в 10 витков и допускает около 400 мм. в конце установите его в трубку большего размера, прикрепленную к отражателю. Каждый виток имеет шаг или шаг 454 мм. поэтому, если вы хотите добавить или убавить повороты в соответствии с вашими личными требованиями, просто добавьте или вычтите 454 мм для каждого поворота, так как они равномерно расположены.

    Я использовал 12мм. Стержень из стекловолокна для изоляторов отрезан до такой длины, чтобы радиус спирали составлял 325 мм. Расстояние между ними составляло 227 мм.на противоположных сторонах квадратной стрелы. Сначала я просверлил 9 мм. отверстие через обе стороны стрелы 25 мм. от передка, затем через каждые 227 мм. вдоль стрелы. Затем повторно просверлите каждую сторону только , с 12 мм. сверло взять 12мм. стержни из стекловолокна.

    Используйте этот эскиз слева вместе с фотографиями ниже. На нижнем левом фото вы можете ясно видеть медную согласующую полоску, а также начало спирали и монтажную пластину с хомутом вокруг стрелы на одном конце и коаксиальной осью 50 Ом, идущей к разъему «N» на другом. .Я добавил небольшую опору из ПТФЭ между медной согласующей полоской и пластиной, на которой установлен разъем «N», это снимает механическую нагрузку с центрального штифта разъема, это хорошо видно на обеих фотографиях.

    Концы этих стержней следует обработать или отшлифовать с уступом, чтобы они вошли в 9 мм. отверстие на противоположной стороне стрелы, которое не позволит им пройти сквозь них. Я использовал хороший эпоксидный клей, чтобы удерживать их на месте, однако они не должны выходить, когда на них наматывается спираль.На внешних концах этих стержней сделана V-образная выемка и просверлено небольшое отверстие (2-3 мм) на 12 мм. с конца и параллельно выемке привязать спиральную проволоку и удерживать ее на месте. Примечание: при приклеивании этих стержней на место убедитесь, что V-образный паз на конце совпадает с вашей спиральной катушкой, чтобы она плотно прилегала. Это будет зависеть от того, используете ли вы LHCP или RHCP. В моем случае я использовал RHCP.

    Я использовал диам. 3 мм. (приблизительно) медная проволока для спирали, это не критично, также можно использовать тонкую трубку.Поскольку импеданс спирали составляет около 140 Ом, требуется согласующее устройство для подключения к кабелю 50 Ом.

    Эта 1/4 волновая согласующая полоса изготовлена ​​из куска медного листа толщиной 0,5 мм. толстый (не критично). Писать ковчег 525мм. на нем длинная, радиусом 325 мм., это середина, теперь к этому прописываем еще 2 арки; один 25мм. больше и один на 25 мм меньше. Вырежьте эту полоску на 50 мм. широкий, закруглите один конец и просверлите отверстие в 25 мм от него, чтобы вставить центральный штифт соединителя типа «N».Отрежьте углы на другом конце полосы, чтобы получилась острие. После сборки припаяйте его к входному концу спирали, оставив 25 мм. перекрытие для прочного паяного соединения. Спираль может иметь любое количество полных витков, при этом соответствующая полоса делает дополнительную 1/4 оборота.

    Теперь, чтобы сделать заземленную монтажную пластину для разъема типа «N», я решил установить этот разъем на штанге для паушальной суммы, а не на отражателе. Это означает, что антенна и согласующая секция при необходимости могут быть удалены как один узел.Возьмите толстостенную трубку (водопровод), которая будет аккуратно надевать на стрелу, и отрежьте кусок 20 мм. долго формировать воротник. Просверлите и постучите по этому воротнику в двух местах на 120 градусов. в стороны, чтобы его можно было зафиксировать на стреле. Теперь возьмите еще один кусок меди (или оцинкованного железа) примерно 350 мм. длиной, шириной 50 мм и толщиной 0,5 мм и припаяйте его к воротнику на стороне, противоположной стопорным винтам.

    Просверлите отверстие 325 мм. из центра хомута и установите соединитель типа N, также просверлите два отверстия диаметром 6 мм.отверстия прибл. 100 мм. с каждого конца этой монтажной пластины, чтобы ее можно было прикрепить к сетчатому отражателю с помощью опорной пластины из того же материала и 2 крепежных винтов, при этом сетка зажата между двумя пластинами.

    СБОРКА

    После приклеивания опорных изоляторов к стреле осторожно намотайте спиральную катушку, привязывая ее к концу опорных изоляторов по ходу движения, начните и закончите на опоре, оставив примерно 25 мм. дополнительный на подводящем конце, чтобы припаять к соответствующей секции.Теперь наденьте хомут с кронштейном и N-образным соединителем на стрелу до тех пор, пока он не окажется примерно в 50 мм от первого изолятора. ПРИМЕЧАНИЕ: Секция согласования , а не соответствует тому же шагу, что и спиральная катушка, это то, как она настроена для наилучшего КСВ. В моем случае соответствующий ремешок имел только шаг 50 мм на 1/4 оборота. Резьбовой конец соединителя обращен назад и проходит через сетчатый отражатель при полной сборке. Припаяйте соответствующую секцию к концу спирали, вставив ее вплотную к первой опоре, а затем к соединителю другим концом.

    Теперь антенна готова к установке в монтажную трубку на узле отражателя. Я этого не описывал, но предлагаю сделать раму 25 мм. кв. трубы (аналогично моей) и покрыть ее сеткой, а не сплошной панелью, чтобы снизить ветровую нагрузку. В центре вам нужно будет вставить толстостенную трубу с 2 стопорными болтами, чтобы взять стрелу. После установки стрелы на узел отражателя прикрепите пластину с соединителем к сетке с помощью опорной пластины и крепежных винтов.

    НАСТРОЙКА АНТЕННЫ

    На этом этапе оставьте хомут и стопорные болты ослабленными и подключите коаксиальный кабель и установку на 145 МГц. с перемычкой SWR к разъему «N». Теперь сдвиньте штангу внутрь и наружу, чтобы добиться наилучшего совпадения. Должна быть возможность приблизиться к соотношению 1: 1, на моем стыке совпадающей полосы и начала спирали было всего около 45 мм. от отражателя. Когда вы будете довольны, затяните все стопорные болты на воротнике и опоре стрелы и еще раз проверьте КСВ.и работа сделана.

    ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

    Поскольку у меня нет точных средств проверки усиления антенны, все, что я могу сделать, это сравнить его с коэффициентом 12 x 12 эл.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.