Спиральная антенна на 144 мегагерца: Спиральная антенна своими руками: сборка и расчёты — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Содержание

Спиральная антенна своими руками: сборка и расчёты

Считается, что спиральная антенна характеризуется круговой поляризацией, но мнение ошибочно. В действительности структура витков такова, что принимаются волны и с линейной поляризацией. Это удобно, когда присутствует возможность работать на любой структуре волны. И спиральные антенны используются как облучатель зеркал на спутнике. Для радиолюбителей недостаток в том, что волна с линейной поляризацией ослабляется на три децибела, как известно, в радио и телевещании другого не используется. В стране спиральный облучатель уместен лишь для ловли НТВ+ со спутника, там метод не используется. Ряд специальных применений указанных антенн обсуждать не станем. Впрочем, запросы по теме встречаются в сети. Кому пригодится спиральная антенна, свитая из проволоки и одетая на кусок трубы, ответить не беремся, даже в сборнике работ радиолюбителей этот класс изделий отсутствует напрочь.

Конструкция спиральной антенны

Как собрать спиральную антенну

Спиральная антенная напоминает инфракрасный обогреватель специфической конструкции. В СССР военные заводы выпускали приборы бытового назначения. Отсюда сходство параболических тарелок и обогревателей. Для сборки понадобится узнать диаметр и шаг намотки проволоки, количество витков. Из материалов понадобятся:

Стальной лист для экрана, произвольной толщины, чтобы не гнулся от ветра и прочих коллизий.
Отрез проволоки, чтобы хватило намотать витки с запасом.
Питающий кабель: для телевидения 75 Ом, для радио 50 Ом.
Труба пластиковая нужного диаметра.

Спиральные антенны относятся к классу бегущей волны, сопротивление устройств велико, чтобы, правильно рассчитав устройство, подключить без согласования. Сначала размечается труба, с запасом, чтобы удалось воткнуть в экран и приклеить. Вдоль оси (лучше с двух сторон) размечается шаг намотки. В будущем риски используются для выравнивания. Отступите спереди пару-тройку сантиметров, начинайте работать маркером. Обратите внимание, что с обратной стороны виток смещается ровно на полшага.

Спираль наматывается на трубу без учета шага, с нужным числом витков. В дальнейшем, начиная с первой риски, нужно растянуть проволоку правильным образом. Чтобы не происходило смещения в дальнейшем, следует правильное положение зафиксировать каплями клея. Примерно по три-четыре на виток. Тем временем изготовим экран.

Выбирайте квадрат со стороной порядка пяти диаметров трубы намотки. Нет разницы, какова толщина стали, выдерживайте прочностные характеристики. В собранном виде экран перпендикулярен трубе.

Для электрической сборки следует в области окончания спирали (основание трубы) просверлить отверстие и проволоку пропустить внутрь. За экраном в боковине проделываем дополнительную дыру, куда пропускаем оплетку питающего кабель. Электрически центральная жила соединяется со спиралью, экран фидера с экраном антенны. Образуется конструкция для приема и передачи волн. Труба со стальным экраном соединяются клеем-герметиком по уголку, чтобы обеспечить строгую перпендикулярность деталей. Ключевые моменты:

Спираль и экран изготавливаются из проводящего материала, к примеру, меди.
Труба из диэлектрика.

Расчет спиральной антенны

Спиральные антенны хороши способностью ловить любой тип волны, используемый в наземном вещании. Однако для ловли радио следует ось направить вверх, экран же расположится горизонтально. Устройству присущи ярко выраженные направленные свойства, не ждите, что получится охватить ряд вышек из одной точки. Не так просто. Диаграмма направленности зависит от габаритов спиральной антенны и сильно:

Если длина витка много меньше длины волны, преобладает боковое излучение, поперек оси антенны. Причем поляризация не круговая.
В идеальном случае длина витка укладывается в рамки 0,75 – 1,3 длины волны. В этом случае наблюдаем главный лепесток диаграммы направленности, смотрящий вперед. Разумеется, необходим экран.
Если длина спирали больше 1,5 длины волны, образуется два лепестка, направленных в переднюю полуплоскость. Точнее говоря, получается нечто, напоминающее конусную поверхность.

Спиральная антенна

Косвенно (по второму пункту) читатели уже составили представление о диапазоне. В два раза полосу расширим, применяя не цилиндрическую, а конусную спираль (коническая спиральная антенна). Рекомендуем онлайн калькулятор на сайте http://aerial.dxham.ru/onlajn-raschety/raschety-antenn/raschet-spiralnoj-antenny. Здесь предлагается задать частоту, шаг намотки спирали и длину излучателя:

От длины намотки спирали зависит ширина главного лепестка диаграммы направленности. Варьируйте число витков и наблюдайте за параметром (находится в низу страницы калькулятора). Едва приметно меняется диаметр намотки спирали. Этому нет объяснения, создателям калькулятора виднее. Разумеется, понадобится больше меди, что отражается в соответствующих параметрах.
Добавим, что с увеличением длины растет и усиление. Это типичный эффект: сужается лепесток – растет усиление. Площадь диаграммы направленности – величина постоянная. Как говорил Ломоносов, если в одном месте чего прибудет, в другом непременно убыть должно. Заметьте, что с ростом витков едва приметно падает ширина полосы пропускания.
От шага намотки зависит усиление: чем больше цифра, тем ниже усиление, тем уже диаграмма направленности. На наш взгляд это ошибка авторов, потому что выходит, что выгоднее мотать плотно. Вдобавок проволоки уйдет меньше. Показаны исключительно преимущества, на практике подобное выглядит сомнительно.

Из полезных свойств этого онлайн калькулятора хотелось бы отметить расчет минимального размера экрана. А насчет шага уточните в справочниках, чем и займемся. Кстати, любопытен факт, что по умолчанию на сайте сразу стоит частота WiFi 2,45 ГГц. Здесь сегодня спиральные антенны часто применяются.

Самодельная спиральная антенна

Нашли: усиление зависит только от числа витков. Шаг намотки рекомендуется выбирать 0,22 – 0,24 длины волны. На сайте это значение задаем в широких пределах. Предлагаем читателям выбрать шаг, варьируя число витков. Случается, что в отдельных калькуляторах встречаются ошибки, точной информацией владеет лишь веб-программист.

Кстати, в новом источнике сведения приведены, что экран размещается позади спирали на расстоянии 0,12 длины волны. При этом добавляется, что если диаметр экрана выбирается равным 0,8 длины волны и более, сторона квадрата еще больше: 1,1 λ. Ситуация не настолько очевидна, но представьте, что круг обязан вписаться внутрь – все встает на места.

Что касается согласования, сопротивление спиральной антенны сильно зависит от толщины проволоки и с ростом уменьшается. Возможно добиться цифры, равной 75 и даже 50 Ом. В данном случае согласования не требуется, что упрощает эксплуатацию. На высоких частотах это работает. К примеру, волновое сопротивление станет равным 75 Ом при толщине проволоки 5% длины волны. Получая 50 Ом, следует взять толщину проволоки 7% длины волны. Видите, что на частотах WiFi это реально, а значит, рассчитаем параметры так, избегая согласования.

Обратите внимание, в калькуляторе не дается возможности задать толщину провода, а с имеющимся волновое сопротивление равно 140 Ом. Вероятно, это профессиональная хитрость, по нашим сведениям кабель должен быть на 50 Ом на частотах WiFi. Зато легко проверить, выполняется ли зависимость от толщины провода. Приведем таблицу и сравним результат.

Таблица расчетов

Итак, частота составляет 2450 МГц, находим длину волны по простой формуле:

λ = 299 792 458 / 2450 000 000 = 0,1223 метра.

Находим нужный диаметр провода для сопротивления 140 Ом:

0,1223 х 0,02 = 2,45 мм, проверим, совпадает ли это с онлайн калькулятором! Смотрим и видим: 2,4. Ну, если учесть, что без округления получилось 2,447 мм, то будем считать, что два источника повторяют друг друга, а значит указаниям по выбору шага намотки (см. выше) можно поверить. На этом считаем, что самодельная спиральная антенна готова, а также найдем толщину проволоки, при которой сопротивление станет равным 50 Ом: получается 8,5 мм. Причём на указанной высокой частоте сложно обеспечить требуемые условия. Посему целью самостоятельно сделать спиральную антенну чаще задаются компьютерщики.

Что касается нестыковок в калькуляторе, проверяйте читаемую в интернете техническую информацию несколько раз. Считаем, что ответили на вопрос, что такое спиральная антенна, и как сделать спиральную антенну. Плюс конструкции в простоте изготовления, если патчи нужно просчитывать, согласовывать, и не факт, что получится, здесь имеется неплохое устройство, удовлетворяющее заданным условиям, отсеивающее массу помех. С обеих сторон (на прием и передачу) стоят одинаковые антенны, чтобы работать с круговой поляризацией, в противном случае результат станет загадочно-непредсказуемым. Спиральная антенна, собранная самостоятельно – реальность.

Автомобильная антенна на диапазон 2 метра (144 Мгц) | RUQRZ. COM

Вертикальные излучатели длиной полволны с несимметричным питанием, расположенные над небольшим металлическим экраном, находящимся вблизи земной поверхности, обладают лучшими параметрами, чем излучатели длиной четверть волны. Хотелось проверить на практике, насколько существенна эта разница при проведении местных радиосвязей в УКВ диапазоне.

Ко мне вместе с другими автомобильными антеннами CB диапазона (27 МГц) попала антенна с торговым названием «Cobra», которая и послужила основой для конструкции УКВ антенны диапазона 144…146 МГц. Её излучатель отличался повышенной упругостью, да и длина больше подходила к расчётной. Измерения, проведённые с целью обнаружить какой-либо резонанс антенны с приемлемым КСВ в диапазоне от 26 до 175 МГц, результатов не дали. Эта и аналогичные ей антенны «Hustler» несмотря на относительно низкую стоимость не пользуются большим спросом. Из-за малой площади магнита крепления они плохо держатся на корпусе автомобиля и при сильном ветре или резких толчках падают.

К тому же водители, стараясь не поцарапать свой автомобиль, дополнительно наклеивают на основание антенны скотч или ткань. А так как через основание осуществляется ёмкостная связь антенного согласующего устройства (АСУ) с корпусом автомобиля, это приводит к изменению резонансной частоты АСУ и потере мощности сигнала при передаче и приёме.

После несложной доработки антенна пригодна для работы в диапазоне 2 метра. Так как длина её излучателя, вес и парусность уменьшаются, антенна обладает достаточной механической устойчивостью. Конструкция антенны понятна из рис. 1.

Конструкция антенны

Длина излучателя уточнялась в процессе настройки. Схема и конструкция согласующего устройства антенны показаны на рис. 2 и рис. 3

Монтаж выполнен на штатном гетинаксовом каркасе диаметром 16 и длиной 23 мм. Катушка L1 намотана проводом ПЭВ-2 диаметром 1 мм. Шаг намотки — 3 мм, число витков — 3—4 (уточняется в процессе настройки). В торцах каркаса 1 запрессованы бронзовые резьбовые шпильки 2 с резьбой М8 (рис.

3), которые служат для крепления излучателя и магнитного основания антенны. Эти шпильки имеют дополнительные крепления в каркасе в виде бронзовых поперечных шпилек, к которым припаивают выводы элементов АСУ. На боковой поверхности каркаса имеется дополнительный изолированный опорный контакт, также служащий для монтажа элементов.

Ёмкость конденсатора С1 подбиралась экспериментально. Вначале был установлен переменный конденсатор малой ёмкости с воздушным диэлектриком, который впоследствии был заменён постоянным керамическим. Подойдут конденсаторы КД-1 или КТ-1 и им подобные с малым или нулевым ТКЕ и номинальным напряжением не менее 250 В. Это необходимо даже при использовании УКВ радиостанций с выходной мощностью передатчика не более 10 Вт.

После окончательной настройки АСУ следует прочно закрепить выводы катушки на каркасе, хорошо пропаять все места соединений деталей и питающего кабеля. Конденсатор необходимо покрыть слоем хорошего влагостойкого лака, а также обеспечить хорошую защиту деталей всего устройства от проникновения влаги.

На рис. 4 приведён график КСВ антенны в зависимости от частоты, на рис. 5 — фрагмент её внешнего вида.

Внешнего вид антенны

Антенна более двух лет используется с подвижной автомобильной УКВ радиостанцией. При первичной проверке её работы было установлено несколько десятков двусторонних радиосвязей с корреспондентами, находящимися в разных пунктах нашего региона, на различных расстояниях и высоте относительно выбранного для эксперимента места. Большинство корреспондентов отметили повышение уровня сигнала около одного балла (по показаниям S-метра) в сравнении с четвертьволновой GP-антенной, использованной в этом эксперименте.

Подобную антенну можно изготовить самостоятельно, имея в наличии подходящий кольцевой магнит и металлическую пружинящую проволоку подходящего диаметра с хорошими проводящими свойствами для изготовления излучателя. Металлическое основание можно выточить на токарном станке, просверлив в его центре осевое отверстие для крепления АСУ.

UA6HGW

Что еще почитать по теме:

Спиральная антенна 433 МГц

Антенностроитель из меня просто никакой — я в этом успел убедиться после экспериментов с самодельными штырями и спиралями.

Поэтому я немного помучился, а когда понял, что многие проблемы с поделками на Arduino случаются именно по причине плохой связи, решил плюнуть на гордость, поддаться жабе и сдаться на милость профессионалам.

Результат — покупка готовых спиральных антенн диапазона 433 МГц, то есть для передатчиков и приемников, которые использую в домашней автоматике.

Общее впечатление: оно того стоило. Антенны меньше и аккуратнее, работают субъективно не хуже, а то и лучше моих самодельных.

Для понимания процесса немного той теории, что я усвоил. В портативной технике используются, в основном, три типа антенн:

1) Штыревые
2) Спиральные
3) Вытравленные непосредственно на печатной плате

Штыревые антенны обладают наилучшими характеристиками, но с рядом ограничений. Во-первых, на них сильно влияет окружение. Например, в ограниченном пространстве, в непосредственной близости от стен и подобных препятствий штыри могут работать не слишком хорошо из-за отражений и интерференции (вплоть до полного взаимного поглощения излученного и отраженного сигнала).

Во-вторых, оптимальная конструкция включает в себя расположение штыря перпендикулярно более-менее значимой заземленной пластине. Крошечная плата передатчика таковой, разумеется, не считается. Ценители, конечно, могут сделать отвод коаксиальным кабелем к нужной пластине с антенной, но для меня это как-то слишком.

Спиральные антенны несколько хуже штыревых и еще более зависимы от окружения, но у них неоспоримое преимущество. При сравнимом ухудшении характеристик они гораздо более компактны.

Наконец, антенны на печатных платах. Приемлемое сочетание характеристик и компактности, где не требуется сверхчувствительность. Поэтому часто используются в разных не слишком критичных приложениях — звонки всякие, автосигнализации.

По моему опыту вышло, что самодельные штыри и спирали, сделанные с максимумом нарушений всех рекомендаций все же ведут себя лучше, чем просто кусочек провода. Причем в ряде случаев спирали работали даже лучше штырей.

Именно поэтому, а также из-за компактности я остановился именно на спиральных антеннах.

Магазин выбрал наугад, просто посмотрел более-менее приемлемую цену и бесплатную доставку (включенную, разумеется, в цену). Отправка без трек-номера, так что даже успел забыть о заказе.

Тем не менее, доставка оказалась вполне быстрой: 21 августа заказал, а 16 сентября они приехали. Я приехал 17 сентября, и хотя 18-го все еще был в невменяемом состоянии после отпуска (ну разницы в часовых поясах), все же поменял самодельные спирали в домашнем контроллере на эти.

С некоторым замиранием сердца, между прочим, поменял. Мои-то посерьезнее выглядят 🙂

По виду антенны кажутся изготовленными из медной проволоки, но по факту это что-то другое. Поскольку они не деформируются, как медный провод, а, скорее, пружинят. Плюс в том, что при таком раскладе характеристики антенны будут более-менее стабильными. Минус — сложно поменять полосу пропускания, раздвигая витки. Если, конечно, для вас вдруг актуально менять полосу.

Кстати, приехали в обычном желтом мягком пакете, но в дороге не пострадали.

Длина спирали: 20 мм
Длина продолжения: 10 мм
Длина изгиба (перпендикулярная часть): 7 мм
Внешний диаметр: 5 мм
Внутренний диаметр: 3,5 мм (не знаю, почему так)
Диаметр проводника: 0.5 мм

Просто в канифоли они не облуживаются, но старая добрая таблетка аспирина (самый простой какой найдете в аптеке, никаких шипучих!) справляется с этой задачей отлично (только не дышите парами). Кислотный флюс, разумеется, тоже подойдет — просто у меня его нет.

После распайки вернул контроллер на место и провел быстрый тест. Свет работает, все розетки работают, кормушка — работает. Из этого вывод: эти спиральки как минимум не хуже самодельных.

Для сравнения и масштаба бедствия: рядом с батарейкой АА и моим самодельным спиральным монстром:

А так как волномера у меня нет, то дальше только субъективизм. Первое впечатление — дистанционное управление стало более уверенным. В особенности это касается одной капризной радиорозетки, которая раньше включалась не каждый раз и кормушки для котов, которая капризничает почище радиорозетки.

В дальнейших планах — замена самодельных антенн на эти в старых поделках (кормушка, погодный датчик) и перспективных новых изделиях 🙂

Резюме: вполне могу рекомендовать для любой самодельной техники, где используются передатчики и приемники диапазона 433 МГц по какой-то причине не оснащенные антеннами. Ну или для замены громоздких телескопических антенн, которые китайцы любят ставить в особо дешевую технику (возможно, характеристики станут чуть хуже, но комфорт и эстетика вполне оправдывают).

Минусов, кроме цены, придумать не получается.

FAQ

Q: Да кому это нужно?!
A: Если вы читаете ответ на этот вопрос, вам это, скорее всего, не нужно.

Q: А че так дорого за кусок проволоки?
A: Ценовую политику продавца обсуждать не готов.

Q: Купил бы моток эмалированного провода, накрутил бы себе сотни антенн за копейки. Слабо, что ли?
A: Слабо. Катушка провода стоит гораздо дороже этих десяти антенн, а больше десяти мне, пожалуй, пока не нужно. Ну и потом еще — найти оправку нужного диаметра, отмерять провод с максимальной точностью, на которую я не способен. Мне проще купить готовые.

Изготовление спиральной антенны для беспроводных сетей диапазона 2.4 ГГц

Спиральную антенну, изобретенную в конце сороковых Джоном Краусом (John Kraus, W8JK), можно назвать самой простой реализацией антенны, которую можно представить, в особенности для частот в диапазоне 2-5 ГГц. Эта конструкция является очень простой, практичной и при этом надежной. Эта статья описывает, как самостоятельно сделать спиральную антенну для частот в районе 2.4 ГГц которая может быть использована, например, для высокоскоростных радиочастотных (S5-PSK, 1.

288 Мбит/сек), 2.4 ГГц беспроводных сетей и любительских спутниковых (AO40). Развитие оборудования безпроводных сетей позволяет легко получить высокоскоростной радиодоступ с использованием стандарта IEEE 802.11b (также известного как Wi-Fi).

Краткий обзор теории

Спиральная антенна может быть описана как пружина с количеством витков N с отражателем. Окружность (C) витка составляет приблизительно длину волны (l), а дистанция (d) между витками составляет приблизительно 0.25C. Размер отражателя (R) составляет C или l и может иметь форму круга или квадрата. Конструкция излучающего элемента вызывает круговую поляризацию (КП), которая может быть как право-, так и левосторонней (П и Л соответственно), в зависимости от того, как намотана спираль. Для того, чтобы передать максимум энергии, обе стороны соединения должны иметь одинаковую направленность поляризации, кроме случаев, когда используется пассивный отражатель радиоволн на пути передачи сигнала. 2 * N * d} dBi (1)

В соответствии с выводами Др. Даррела Эмерсона (Dr. Darrel Emerson, AA7FV) из Национальной Радиоастрономической Обсерватории, результат вычисления по формуле [1], также известной как формула Крауса (Kraus formula), 4-5 dB слишком оптимистичен. Др. Рей Кросс (Dr. Ray Cross, WK0O) проанализировал результаты исследования Эмерсона в программе анализа антенн ASAP.

Характеристика полного сопротивления (импенданса) (Z) полученной передающей линии эмпирически должна описываться формулой

Z = 140 * (C/l) Ohm (2)

Реализация для частоты 2.43 ГГц (aka S-band, ISM band, 13 cm amateur band)

l = (0.3/2.43) = 0.1234567 m (12.34 cm) (3)

Диаметр витка (D) = (l/pi) = 39.3 mm (4)

Стандартная канализационная пластиковая труба с внешним диаметром 40 мм является для нас превосходным решением и легкодоступна в магазинах «Сделай сам» или у любого сантехника 🙂 Спираль может быть намотана из стандартного медного провода, который применяется в домашнем хозяйстве для цепей 220 В переменного тока. Этот провод имеет цветную поливинилхлоридную изоляцию и медный сердечник диаметром 1.5 мм. Обмотка проводом трубы даст результирующий диаметр D = 42 мм благодаря толщине изоляции.

D = 42 mm, C = 42*pi = 132 mm (which is 1.07 l) (5)

d = 0.25C = 0.25*132 = 33 mm (6)

Для дистанций от 100 м до 2.5 км в пределах прямой видимости, 12 витков (N = 12) достаточно. Следовательно, длина трубы будет около 40 см (3.24 l). Обмотайте провод вокруг трубы и приклейте его поливинилхлоридным или любым другим, содержащим тетрагидрофуран (THF), клеем. Это даст очень прочную намотку вокруг трубы, как показано на рисунке 1 ниже.

Рисунок 1. Использованные материалы с размерами.

Сопротивление антенны:

Z = 140 * (C/l) = 140*{(42*pi)/123.4} = 150 Ом (7)

требует соответствия сети для использования стандартного 50 Ом UHF/SHF коаксиала и коннекторов.

Обычно используется заглушка в 1/4 волны с сопротивлением (Zs)

Zs = sqrt(Z1*Z2) = sqrt(50*150) = 87 Ом (8)

Из-за спиральной конструкции это соответствует 1/4 витка. Однако, с точки зрения механики, учитывая то, что необходимо позаботиться о водонепроницаемости, если антенна используется на открытом воздухе, есть более предпочтительные методы достижения сопротивления спиралью сопротивления в 50 Ом. Первой мыслью было эмпирически увеличить d для первого и второго витка и добиться нужного значения методом проб и ошибок, измеряя результат при помощи направленного блока сопряжения и генератора сигнала. После недолгих поисков в интернете были надены спирали, которые согласовывались таким способом, но неожиданно был найдена страница Джейсона Хеккера (Jason Hecker). Он действительно использовал элегантное решение согласования, используя медную лопатку в соответствии с ARRL Handbook. Так что вся хвала — ARRL и Джейсону, для антенны были использованы его размеры. Честно говоря, эта страница практически копирует его страницу, за исключением того, что спираль намотана в противоположном направлении :)).

Рисунки 2a и 2b. Идея, размеры и монтаж согласователя. Гипотенуза треугольника должна быть продолжением провода.

Теперь необходимо припаять согласователь к спирали, приклеить их и приготовиться к соединению с колпачком, как показано на Рис. 3.

Рисунок 3. Почти законченная спиральная антенна.

Готово! (Рис. 4)

Рисунок 4. Законченная 12тивитковая 2.4 ГГц спиральная антенна, G = 17.5 dBi или 13.4 dBi (соответственно по Краусу или Эмерсону).

Характеристики антенны были измерены. Результаты — на Рис. 5a и 5b:

Рисунок 5a. Потери на отражении (dB) от 2300 до 2500 МГц

Рисунок 5b. Диаграмма Смита 2300-2500 МГц

Рисунок 6a Установка для измерения

Рисунок 6b «Спиральная антенна за час» и анализатор Rohde & Schwarz

И наконец, спиральная антенна в действии…

Рисунок 7a Излучает на мой LAP (Local Access Point 😉

Рисунок 7b Вид снизу