Спиральная антенна своими руками. Самодельная спиральная антенна для эфирного цифрового телевидения Плоская спиральная телевизионная антенна для цифрового сигнала
В окружающем нас мире часто очень важным оказывается тот факт, что человек не может обойтись без большого количества необходимой и своевременной информации. Эта информация может носить как мирный так и военный характер, но она предназначена прежде всего для облегчения деятельности человека.
Одной из разновидностью устройств служащих для приема и передачи информации являются антенны.
В данной курсовой работе будут рассмотрены вопросы расчета антенны, удовлетворяющей поставленным техническим требованиям.
2. Цель работы
Целью работы является изучение спиральной антенны ДЦМВ диапазона, что подразумевает собой расчет геометрических размеров антенны, ее характеристик излучения.
3. Краткий обзор спиральных антенн
Спиральные антенны относятся к классу антенн бегущей волны. Они представляют собой металлическую спираль, питаемую коаксиальной линией. Имеется довольно много разновидностей спиральных антенн, однако почти все можно свести к следующим трем типам:
а) цилиндрическая (см. рисунок 3.1) ;
б) коническая (см. рисунок 3.2) ;
в) плоская (см. рисунок 3.3).
Рисунок 3.1 - Цилиндрическая антенна.
Рисунок 3.2 - Коническая антенна.
Рисунок 3.3 - Плоская антенна.
В зависимости от числа ветвей спирали, они могут быть однозаходные (одна ветвь), двухзаходные (две ветви) и т.д.
Принцип действия спиральных антенн
Спиральная антенна (рис. 4.1) состоит из проволочной спирали , питаемой коаксиальной линией. Внутренний провод этой линии присоединяется к спирали, а наружная оболочка - к металлическому диску.
Спиральные антенны формируют диаграмму направленности, состоящую из двух лепестков, расположенных вдоль оси спирали по разные стороны от нее. На практике обычно требуется одностороннее излучение, которое получают, помещая перед экраном (диском). Кроме того диск спиральной антенны служит для уменьшения токов на наружной оболочке коаксиальной линии, уменьшения колебаний входного сопротивления в рабочем. Диаметр диска выбирается порядка (0.8-1.5)l, где l - длина спирали. Диск не обязательно выполнять из сплошного листа, его можно изготовить из системы радиальных и круговых проводов.
4. Основа работы цилиндрической спиральной антенны
Подробные исследования показали, что на излучающей цилиндрической спирали одновременно существует несколько типов тока, отличающихся друг от друга амплитудой и числом периодов, укладывающихся вдоль оси спирали со своим затуханием и со своей фазовой скоростью. Однако форма диаграммы направленности спирали зависит, в основном, лишь от одной, преобладающей волны, тип которой определяется соотношением между длиной витка спирали и рабочей длиной волны.
Введем следующие обозначения:
Рабочая длина волны в свободном пространстве;
Т q - волна тока в спирали q-го типа; q=0,1,2…. Целое число, указывающее, сколько периодов волны тока укладывается вдоль одного витка спирали;
V q - скорость распространения волны тока Т q по проводу спирали;
С - скорость света в свободном пространстве;
D - диаметр витка цилиндрической спирали.
Известно три режима работы цилиндрической спиральной антенны:
Когда длина витка спирали меньше 0.65 (при этом длина волны >5D), на ней преобладает волна Т 0 , характеризующаяся изменением фазы тока в пределах 360 0 на протяжении нескольких витков. Волна Т 0 от конца спирали приводит к образованию стоячих волн, которые и формируют диаграмму направленности антенны. Волна Т 1 имеет весьма малую амплитуду и в излучении не участвует. Максимальное излучение для этого случая получается в плоскости, перпендикулярной оси спирали(рис 4.2а) и в этой плоскости оно не направлено.
Если длина витка лежит в пределах от 0.75-1.3 (длина волны соответственно =4D-2.2D), на ней преобладает волна Т 1 , фазовая скорость которой меньше скорости света V 1 0.82 C. Волна Т 1 интенсивно излучается всеми витками, поэтому в спирали устанавливается бегущая волна тока, формирующая максимум излучения вдоль оси спирали (рис 4.2 б). Имеющаяся также на спирали волна Т 0 быстро затухает по длине спирали и ее вклад в диаграмму направленности невелик.
Режим осевого излучения является основным, наиболее используемым режимом для работы спиральных антенн, поэтому волна Т 1 , являющаяся преобладающей, когда длина провода витка спирали примерно равна рабочей длине волны, называется основной.
При длине витка спирали, большей 1.5 (в этом случай <2D), на цилиндрической спирали помимо основного типа волны Т 1 возникают волны Т 2 , Т 3 и т.д. Волна Т 1 становится затухающей, в то время как Т 2 имеет постоянную амплитуду и является определяющей в излучении. Максимальное излучение получается в направлениях, образующих острый угол относительно оси антенны, и пространственная диаграмма получается в форме конуса
Рисунок 4.1 - схема возбуждения спиральной антенны.
Рисунок 4.2 - спирали, имеющие разный диаметр, и соответствующие им диаграммы направленности.
5. Расчет параметров цилиндрической антенны
Параметрами цилиндрической спирали являются:
n - число витков спирали,
Угол подъема витка,
R - радиус спирали,
l - осевая длина спирали,
S - шаг спирали,
L - длина витка спирали.
Между указанными параметрами существуют следующие соотношения (см Рис 5.1):
Рисунок 5.1
Диаметр витков спирали и шаг намотки должны быть выбраны таким образом, чтобы каждый виток имел поляризацию, близкую к круговой, и максимальное излучение в направлении оси спирали (ось Z). Кроме того, нужно, чтобы напряженности полей, создаваемых отдельными витками в направлении оси Z, складывались в месте приема в фазе или с небольшим сдвигом фаз. В соответствии с теорией антенны бегущей волны максимальный коэффициент направленого действия получается в том случае, когда сдвиг фаз A1 между напряженностью поля, создаваемого первым (от источника) витком, и напряженностью поля, создаваемого последним витком, равен.
Для обеспечения круговой или близкой к ней поляризации поля, а также для обеспечения интенсивного излучения каждого витка в направлении оси Z нужно, чтобы длина витка была близкой к. Сказанное можно пояснить следующим образом. Предположим, что шаг витка бесконечно мал, тогда виток образует плоскую рамку. Как известно, в спиральной антенне КБВ получается близким к единице. Предположим поэтому, что в спиральной антенне имеет место режим бегущей волны. Предположим, кроме того, что скорость распространения тока по витку равна скорости света. При этом сдвиг фаз между током в начале и в конце витка равен.
В направлении оси Z составляющие векторов напряженностей поля Ex и Ey будут одинаковой величины.Сдвиг фаз между этими составляющими будет равняться /2. Последнее следует из того, что токи в элементах витка, ориентированных параллельно оси X, сдвинуты по фазе на /2 по отношению к фазе токов в элементах, ориентированных параллельно оси Y. Равенство величин Ex и Ey и сдвиг фаз между ними, равный /2, обеспечивает круговую поляризацию. При длине витка, равной, и скорости распространения тока вдоль провода, равной скорости света, обеспечивается также интенсивное излучение в направлении оси Z. Последнее может быть приближенно доказано следующим образом. Рассмотрим два произвольных элемента витка, расположенных симметрично относительно центра, например элементы 1 и 2 (рис. 5.2). Каждый из этих элементов имеет максимальное излучение в направлении оси Z. Векторы E, создаваемые этими элементами в направлении оси Z, паралллельны касательным к окружности в точках 1 и 2. Сдвиг фаз между токами в элементах 1 и 2 вследтвии режима бегущей волны равен. Кроме того, токи в этих элементах имеют противоположные направления, что эквивалентно дополнительному сдвигу фаз, равному. Таким образом, поля обоих элементов в направлении оси Z складываются в фазе. Нетрудно показать, что любые два симметрично расположенных элемента создают в направлении оси Z синфазные поля, что обеспечивает интенсивное излучение в этом направлении.
Приведенное здесь элементарное изложение принципа работы спиральной антенны не учитывает всей сложности происходящих в ней процессов и, в частности, то, что в действительности имеет место значительное отражение энергии от спирали. Кроме того, волна вдоль антенны распространяется как непосредственно вдоль провода, так и через пространственную связь между витками, что создает более сложную картину распределения тока.
Рисунок 5.2.
Для обеспечения круговой или близкой к ней поляризации поля, а также обеспечения интенсивного излучения каждого витка в направлении оси Z необходимо, чтобы длина витка была близкой к.
Шаг намотки и диаметр витка выбраны таким образом, что сдвиг фаз между напряженностями полей, создаваемых первым и последним элементами витка, то в направлении оси Z сохраняется круговая поляризация и максимальное излучение. Это будет иметь место при удовлетворении соотношения:
2????????????????
Сдвиг фаз между полями начального и конечного элементов витка, определяемый разностью хода лучей от этих элементов; - сдвиг фаз полей этих элементов, определяемый сдвигом фаз токов этих элементов.
Из вышеуказанного уравнения получаем соотношение между L и S, соответствующее круговой поляризации:
Если выбрать соотношение между S и L в соответствии с этой формулой, то сдвиг фаз между полями, создаваемыми в направлении Z соседними витками, также будет равняться 2. Таким образом поля всех витков антенны складываются в фазе, что обеспечивает максимальное излучение в направлении оси Z. Однако такой режим работы спиральной антенны не соответствует максимальному значению КНД. Максимальный КНД получается при сдвиге фаз между полями первого и второго витков, равном. Для этого нужно, чтобы:
где n - число витков спирали.
Из (5.3) находим соотношение между и S, соответствующее максимальному значению КНД:
При удовлетворении соотношения (5.4), однако, не получается чисто круговой поляризации, при этом несколько увеличивается уровень боковых лепестков. Коэффициент неравномерности поляризационной характеристики в направлении оси спирали равен:
Если данные антенны подобраны в соответствии с формулой (5.2) или (5.4), то хорошие направленные свойства сохраняются в значительном диапазоне, лежащем примерно в пределах от 0.75 до 1.3, где - волна, для которой подобрано оптимальное соотношение между L, C/V1, n и S.
Расчет антенны:
Исходные данные к расчету антенны
Рабочий диапазон длин волн: min=0.48 m
Ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности - 40 градусов
Расчет геометрических размеров антенны
Выберем среднее значение длины волны из заданного диапазона:
На основании экспериментальных исследований были получены следующие эмпирические формулы, справедливые для 5 Ширина диаграммы направленности по половинной мощности, выраженная в градусах: Коэффициент направленного действия(КНД) в направлении ее оси: Входное сопротивление Шаг спирали можно найти из условия (5.2), если необходимо получить круговую поляризацию, либо из (5.4), для получения максимального КНД. Пусть нам необходима круговая поляризация, тогда шаг спирали равен Удовлетворяет условию 12 0 <<15 0 , значит мы можем применить формулы, полученные на основании экспериментальных исследований: Для нахождения длины антенны, выразим l=nS из (5.7) при удовлетворении условия (5.9): А значит число витков равно: Для дальнейших расчетов округлим число n до целого: n=8, тогда l=nS=0.986м(5.14) Радиус спирали будет равен (см.рис.5.1):отсюда Входное сопротивление антенны в режиме осевого излучения остается чисто активным, так как в этом режиме в проводе спирали устанавливается режим бегущей волны. Пусть нам необходимо получить максимальный КНД, тогда Чтобы излучение антенны было осевым примем длину витка спирали равной средней длине волны заданного диапазона: шаг спирали равен Угол намотки витков будет равен: Удовлетворяет условию 12 0 <<15 0 , значит мы можем применить формулы, полученные на основании экспериментальных исследований: Для нахождения длины антенны, выразим l=nS из (5.7) при удовлетворении условия (5.18): А значит число витков равно: Для дальнейших расчетов округлим число n до целого: n=6, тогда l=nS=0.846м(5.23) Радиус спирали будет равен: Длина провода для намотки спирали будет равна: Коэффициент направленного действия: Входное сопротивление Для обоих случаев: Диаметр диска экрана принимается равным (0.9-1.1) ср Диаметр провода спирали выбирается порядка (0.03-0.05) ср Расчет диаграммы направленности: Приближенно можно считать, что амплитуда бегущей волны в спирали постоянна. Тогда диаграмма направленности антенны может быть представлена произведением диаграммы направленности одиночного витка на диаграмму направленности решетки из n ненаправленных излучателей, где n - число витков: где - угол относительно оси спирали. Это приближение справедливо тем больше, чем больше витков n имеет спираль и чем меньше шаговый угол. Диаграмма направленности одиночного витка приближенно описывается выражением Множитель решетки, как известно, равен Применительно к спиральной антенне сдвиг фаз между токами соседних витков. Учитывая, что С/V1=1.22, для расчета диаграммы направленности цилиндрической спиральной антенны получим следущее приближенное выражение: В итоге при получении максимального КНД, будем иметь диаграммы направленности для трех значений длин волн: min , ср, мах: При получении круговой поляризации, будем иметь диаграммы направленности для трех значений длин волн: min, ср, мах: Согласование антенны с коаксиалом(Zв=75 ом) Согласовать антенну с коаксиалом можно несколькими способами: Согласование четвертьволновым трансформатором: Согласование антенны с входным сопротивлением Z3=120 Ом с коаксиалом Z1=75 Ом осуществляют куском коаксиала с =95 Ом, длиной L==0.14м, а антенны с входным сопротивлением Z3=154 Ом с коаксиалом с =110 Ом Согласование коаксиальной конической линией Согласование осуществляют неотражающими конусами, длиною в целое число полуволн, путем выполнения проводников в виде соответствующих линейных конусов. Причем чем больше длина согласующего звена(укладывается больше полуволн), лучше будет осуществляться согласование с антенной. 6. Выводы по проделанной работе
спиральный антенна излучение поляризация В процессе выполнения курсового проекта был проведен расчет однозаходной цилиндрической спиральной антенны: геометрические размеры антенны и характеристики излучения антенны. Так как в основе работы спиральной антенны лежит круговая поляризация, то данный тип антенн относят к широкодиапазонным антеннам. Ниже приведены полученные результаты: шаг спирали S = 0.053 м; длина витка спирали = 0.192 м; радиус спирали = 0.03 м; длина спирали Lz = 0.567 м; коэффициент направленного действия D = 30 дБ; входное сопротивление антенны Rвх = 31.7 Ом; число витков спирали N = 6 ; угол намотки витка спирали = 16 градусов; диаметр диска антенны = 0.652 м; рабочая длина волны = 0.175 м. Список использованных источников
Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ.- М.: Связь, 1971. В 2-х частях. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. - М.: Энергия, 1973.- 440 с. Воскресенский Д.И. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов Юрцев О.А.,... Спиральные антенны. - М.: Советское радио, 1974. - 224 с. "Линии передачи сантиметровых волн", ч.I-II. Пер. с англ., под ред. Г.А.Ремеза. Изд-во "Сов.радио", 1961 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. 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: 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: 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: 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: 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. 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. Спиральная антенна отличается от других антенн, обладающих направленным излучением, в первую очередь тем, что ее поле излучения имеет круговую поляризацию. В случае применения такой антенны необходимо, чтобы как передающая, так и приемная антенны имели круговую поляризацию излучения. Круговая поляризация имеет место, когда проводник наматывается в направлении излучения в виде спирали, причем необходимо, чтобы общая длина проводника в одном витке равнялась 1λ, что соответствует при учете коэффициента укорочения диаметру витка D,
равному приблизительно 0,31λ. Предполагается, что для получения круговой поляризации используется по меньшей мере три витка, так как поляризация излучения будет тем ближе к круговой, чем больше витков имеет антенна. Простая спиральная антенна излучает в обе стороны в направлении своей оси. Для получения одностороннего излучения и увеличения коэффициента усиления антенны используется дисковый рефлектор. Схематическое изображение спиральной антенны с необходимыми размерами приведено на рис. 11-3. Спираль изображена на этом рисунке упрощенно. Диаметр спирали D
, равный 0,31λ, может быть рассчитан по отношению к частоте по формуле $$D[см]=\frac{9300}{f[Мгц]}.$$ Зная диаметр витка, можно определить длину проводника, образующего виток L
: $$L=D\cdot{3,14}.$$ К важным конструктивным размерам этой антенны относится также угол подъема спирали, который может меняться в пределах от 6 до 24°, однако на практике наиболее часто угол подъема спирали выбирают равным 14°, так как при этом антенна имеет оптимальные электрические параметры. При угле подъема спирали 14° расстояние между витками S
равно 0,24. Это расстояние относительно частоты можно рассчитать по формуле $$D[см]=\frac{7200}{f[Мгц]}.$$ Диаметр дискового рефлектора выбирается небольшим, но всегда больше, чем 0,5λ, так как при этом входное сопротивление спиральной антенны при подключении рефлектора меняется незначительно. При больших диаметрах рефлектора увеличивается величина обратного ослабления. Наиболее часто диаметр рефлектора выбирают равным удвоенному значению диаметра витка спиральной антенны, т. е. 0,62λ. Рефлекторы могут быть как дисковыми, так и квадратными. В диапазоне дециметровых волн рефлекторы можно изготовлять из жести, а в диапазоне УКВ рефлекторы изготовляются обычно таким образом, как показано на рис. 11-4 или 11-7. Расстояние между рефлектором и началом спирали целесообразно выбрать равным 0,13λ. Относительно частоты это расстояние может быть определено по формуле $$A[см]=\frac{3900}{f[Мгц]}.$$ Входное сопротивление спиральной антенны почти не имеет реактивных составляющих и равно 120-150 ом
в зависимости от размеров спирали. Питание антенны несимметричное с помощью коаксиального кабеля. Спиральная антенна обладает широкой полосой пропускания. При расстоянии между витками S,
равном 0,24λ, при допущении максимального КСВ в линии питания (1,35) соотношение частот, в пределах которых антенна работает удовлетворительно, равно 1: 1,6. Коэффициент усиления спиральной антенны зависит от числа витков n
, шага намотки S
и длины витка спирали L
и увеличивается приблизительно пропорционально с увеличением числа витков. При углах подъема спирали, равных 12-15°, и при наличии по крайней мере трех витков в спиральной антенне ее коэффициент усиления может быть рассчитан по формуле $$G[дб]=10\log{L^2}{Sn}\cdot{15}$$ При обычных на практике размерах шага намотки спирали S = 0,24λ и диаметра витка D
= 0,31λ коэффициенты усиления (дб
) спиральной антенны, рассчитанные по этой формуле, при различном числе витков принимают следующие значения: 3 витка - 10,1 дб
; 4 - 11,3; 5-12,3; 6-13,1; 7-13,8; 8
- 14,4; 9 - 14,9; 10-15,3; 11-15,7 и 12 витков - 16,1 дб
. Если электромагнитные волны с круговой поляризацией принимаются на антенну, обладающую линейной поляризацией, то в этом случае теряется половина энергии, переносимой электромагнитными волнами, что соответствует потерям в 3 дб
. Однако с помощью спиральных антенн можно излучать или принимать линейно поляризованные электромагнитные волны. Для этого используют группу из двух спиральных антенн с противоположной намоткой (т. е. если одна антенна имеет правостороннюю намотку, то вторая антенна имеет левостороннюю намотку). При этом если эти две антенны располагаются рядом друг с другом в горизонтальной плоскости, то поляризация поля горизонтальная, а если они располагаются одна над другой в вертикальной плоскости, то поляризация поля вертикальная. В случае, если обе спиральные антенны имеют одну и ту же намотку, то поляризация поля остается круговой, но параллельное соединение двух спиральных антенн дает очень удобное с точки зрения согласования антенны с линией передачи входное сопротивление (65-70 ом
). В этом случае становится возможным без включения дополнительных трансформирующих устройств непосредственно питать антенну при помощи обычного коаксиального кабеля. По сравнению с антенной «волновой канал», имеющей равное усиление со спиральной антенной, последняя занимает несколько меньше места и, кроме того, обладает полосой пропускания, значительно превосходящей полосу пропускания антенны «волновой канал». Согласование входного сопротивления спиральной антенны с волновым сопротивлением линии передачи удобнее всего осуществлять с помощью коаксиального четвертьволнового трансформатора, сопротивление которого рассчитывается по известной формуле $$Z_{тр}=\sqrt{Z_A\cdot{Z}}.$$ Если положить входное сопротивление спиральной антенны Z
A равным 125 ом
и потребовать согласования этого сопротивления с коаксиальным кабелем, имеющим волновое сопротивление 60 ом
, то волновое сопротивление такого концентрического четвертьволнового трансформатора должно быть равно: $$Z_{тр}=\sqrt{125\cdot{60}}=\sqrt{7500}=86,6 ом.$$ Из графика рис. 1-25 видно, что концентрическая линия имеет волновое сопротивление 87 ом,
когда отношение внешнего диаметра внутреннего проводника к внутреннему диаметру наружного проводника равно 1: 4,4. На рис. 11-5 показана практическая конструкция оформления четвертьволнового трансформатора со всеми необходимыми размерами. Общая длина согласующего устройства с учетом коэффициента укорочения равна 0,24λ. На рис. 11-6 показана спиральная антенна, рассчитанная на диапазон 2 м
. Размеры спиральной антенны для диапазона 70 см
обозначены в скобках. В данном случае диаметр рефлектора был выбран равным 1λ. Разумеется, диаметр рефлектора может быть уменьшен до 0,62λ без изменения всех остальных размеров антенны. Для изготовления спирали особенно подходит 10-мм
дюралевый прут, обычно применяемый для громоотводов, так как его очень легко сгибать. Спираль укрепляется на деревянных планках, а вся антенна в точке ее центра тяжести крепится к деревянной несущей мачте. На рис. 11-7 изображена спиральная антенна, выполненная радиолюбителем DL
6MH.
Использование: в антенной технике. Сущность изобретения: даны соотношения для определения диаметра проводника токопроводящей однозаходной цилиндрической спирали, числа ее витков, угла намотки и длины витка. 1 з. п. ф-лы, 3 ил. 1 табл. Изобретение относится к антенной технике, а конкретно, к цилиндрическим спиральным многовитковым антеннам с эллиптической и круговой поляризацией излучения и может быть использовано в системах космической связи метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов длин волн, в частности, в отражателях зеркальных радиотелескопов, в фазированных антенных решетках и т.п. Современный уровень техники в данной области характеризуется широким использованием цилиндрических спиральных антенн осевого излучения. Классическим техническим решением в данной области является цилиндрическая спиральная антенна осевого излучения, состоящая из активной цилиндрической спирали, расположенной над металлическим экраном (см. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и излучающих элементов. Под ред. профессора Д. И.Воскресенского. М. Советское радио, 1972, с.241, рис. 9.5б). В такой антенне преобладает волна тока типа Т 1 , фазовая скорость которой меньше скорости света. В указанной антенне диаметр диска экрана принимают равным (0,9-11), а диаметр провода спирали (0,03-0,05) ср, где ср средняя длина волны заданного диапазона (см. упомянутый источник, с.256). Ширина диаграммы направленности антенны в силу указанных конструктивных особенностей и особенности распространения бегущей волны тока, рассчитанная по уровню половинной мощности (см. там же, с.248) обычно не превышает 60 о, что сужает область качественного приема-передачи сигналов, например, облучателей зеркальных антенн. Известные цилиндрические спиральные антенны, как правило, рассчитываются с учетом вышеприведенных рекомендаций, что накладывает указанные ограничения. Так известна спиральная антенна, содержащая однозаходную цилиндрическую спираль, установленную над металлическим экраном, коаксиальный волновод, внешний проводник которого соединен с экраном, а внутренний с началом однозаходной цилиндрической спирали (см. а.с. СССР N 1246196, кл. H 01 Q 11/88, опублик. 23.07.86). Имеющаяся в известной антенне опорная диэлектрическая труба с изменяющейся толщиной замедляет и уменьшает интенсивности бегущих волн тока, препятствуя тем самым увеличению ширины диаграммы направленности. А предлагаемый выбор традиционных соотношений для расчета конструкции, в частности, диаметра проводника спирали, не обеспечивают возможности существенного увеличения ширины диаграммы направленности. В известной спиральной антенне, содержащей активную спираль, соединенную с фидером и расположенную над металлическим экраном (см. а.с. СССР N 1626294, кл. H 01 Q 3/24, опублик. 7.02.92), возможно незначительное изменение, в том числе и увеличение, ширины диаграммы направленности (ДН) антенны за счет нагрева активного диэлектрика и изменения его диэлектрической проницаемости. Однако использование нагревающей диэлектрик токами низкой частоты спирали с одной стороны усложняет конструкцию антенны, а с другой приводит к искажению ДН, увеличению уровня боковых лепестков. Возможности расширения ДН при этом незначительны, поскольку выбор конструктивных элементов основан на традиционных подходах, а изменение диэлектрической проницаемости не может быть осуществлено в широких пределах, причем данный параметр не является определяющим для конструкции и ее характеристик, в частности, ширины ДН. Известно, что ширина ДН по уровню половинной мощности при фиксированной длине волны определяется в основном длиной витка спирали и шагом цилиндрической спирали (см. например, упомянутую книгу под ред. Д.И.Воскресенского, с. 248). Влияние других конструктивных параметров цилиндрической спирали, в частности, толщины проводника слабо исследовано. Предполагается, что проводник должен быть достаточно тонким, чтобы не учитывалось влияние его толщины на расчетные соотношения, и в то же время проводник должен быть жестким и прочным, чтобы не нарушать целостность конструкции, сохранять ее форму и прочность. Так в статье К. К. С.Джемвала и других "Анализ конструкции спиральных антенн с оптимизированным усилением для полосы частот в Х-диапазоне" рекомендуется диаметр проводника спирали выбирать равным 0,017), где -длина волны (см. K.K.S.Jamwal and Renu Vakil. Design analysis of gain-optimizedhelix antennas for X-band freguencies. // Microwave Jornal, 1985, september, р. 177-183). Для многовитковых спиральных цилиндрических антенн дециметрового диапазона минимальный диаметр проводника в долях длины волны может быть выбран 0,005 . Цилиндрическая спиральная антенна, в которой используется проводник указанной толщины, выполнена в виде цилиндрической спирали, подключенной к питающему фидеру и размещенной над отражающим экраном. Минимальный рекомендуемый диаметр проводника спирали является решающим признаком при выборе указанной цилиндрической спиральной антенны в качестве прототипа. Известная цилиндрическая спиральная антенна является многовитковой с числом витков N больше 6 (6N15), и углом намотки (подъема витка) , изменяющемся в пределах 12 о 15 о, при длине витка, близкой к и является антенной осевого излучения. Проведенный в статье анализ известной антенны свидетельствует о том, что ширина ее ДН не превышает 60 о. При этом форма диаграммы направленности существенно отличается от секторного типа, близкого по виду к диаграмме направленности изотропного излучателя, что в ряде случаев предпочтительней в технике связи. Данным техническим решением впервые решена и поставлена задача создания цилиндрической спиральной антенны осевого излучения с круговой и эллиптической поляризацией излучения за счет использования сверхтонких проводников в цилиндрической спирали. Основной технический результат достигаемый от использования предлагаемого решения заключается в увеличении ширины ДН антенны по уровню половинной мощности. Дополнительный технический результат предлагаемой антенны заключается в получении ДН секторного вида, т.е. близкой по форме переднего фронта к диаграмме направленности изотропного излучателя. Достижение основного технического результата обеспечивается тем, что цилиндрическая спиральная антенна, содержащая токопроводящую однозаходную цилиндрическую спираль, соединенную с питающим фидером и расположенную над отражающим экраном, имеет максимальный поперечный диаметр проводника d спирали, удовлетворяющий соотношению110 -7 d110 -4 ,где - длина волны. Достижение дополнительного технического результата обеспечивается тем, что цилиндрическая спиральная антенна имеет следующие параметры: 3N8,13 o 14,5 o ,0,95L 1,1, 110 -6 d110 -5 где d, N, , L соответственно диаметр проводника, число витков, угол намотки, длина витков цилиндрической спирали, а длина волны. В предлагаемой цилиндрической спиральной антенне реализован режим осевого излучения с эллиптической поляризацией излучения при достижении максимально широкой диаграммы направленности. Впервые теоретически и экспериментально установлено, что использование сверхтонких проводников цилиндрической спирали позволяет существенно увеличить ширину ДН по половинной мощности в диапазоне длин волн от метрового до сантиметрового включительно. Установлено, что для многовитковых цилиндрических спиралей с числом витков не менее 3, рассчитанных для длины волны тока типа Т 1 использование сверхтонких проводников с диаметром 110 -4 и менее приводит к расширению ДН антенны. Причем для диапазона 3N15,12 o 15 o ДН сохраняет осевой вид без существенных искажений формы. Для крайних значений N(N 1 =3,N к =15),( 1 =12 o , к =15 о) и L 1 ширина ДН по сравнению с прототипом увеличивается на 25-40% а изменение при этом L от 0,7 до 1,4 изменяет ширину ДН на 10-12% Приводимая таблица иллюстрирует изменение ширины ДН цилиндрической антенны по уровню половинной мощности 2 0,5 для N 38, d=1314,5 o ; L (0,951,1) от диаметра d проводника цилиндрической спирали, выраженного в долях длины волны, при этом коэффициент эллиптичности излучения не менее 0,5. На фиг.1 схематически изображена предлагаемая цилиндрическая спиральная антенна; на фиг. 2 диаграмма направленности антенны в сферической системе координат (кривая 1) при N 6, = 14 о, L=1,d=110 -5 на фиг.3 зависимость коэффициента эллиптичности от угла наблюдения (кривая 2) в декартовой системе координат для антенны с указанными на фиг.2 параметрами. Следует иметь в виду, что сектораня форма диаграммы направленности, изображенная на фиг. 2 сохраняется для параметров N,, L, d, приведенных в таблице в диапазоне диаметров d=(110 -5 110 -6) При других значениях d происходит искривление фронта ДН и вытягивание его вдоль оси. Предлагаемая цилиндрическая спиральная антенна (см. фиг.1) содержит однозаходную цилиндрическую спираль 1 из металлического проводника диаметром d= (110 -4 -110 -7), соединенную с центральным проводником питающего фидера 2, металлический экран 3, гальванически связанный с обмоткой фидера. Проводник с целью сохранения жесткости конструкции приклеен к диэлектрическому цилиндрическому радиопрозрачному каркасу (не показан). Предлагаемая антенна работает следующим образом. В запитываемой через фидер 2 цилиндрической спирали возбуждается бегущая волна тока типа Т 1 спадающей амплитуды. Амплитуда бегущей волны тока до конца второго витка равномерно уменьшается примерно в 2,5 раза, а области от конца второго витка до 0,5 от конца спирали уменьшается примерно в 3 раза. На расстоянии 0,5 от конца спирали возникает стоячая волна, амплитуда которой не превосходит амплитуду тока на конце второго витка. При этом вдоль всего проводника цилиндрической спирали от точки возбуждения до 0,5 от свободного конца волна тока распространяется с фазовой скоростью, почти равной скорости света. Бегущая волна тока и стоячая волна тока излучают электромагнитные волны, которые, складываясь в дальней зоне, формируют диаграмму направленности антенны. Благодаря спадающему характеру и распространению бегущей волны тока со скоростью света происходит формирование более широкой ДН, в частности ДН секторного вида. Согласно известным условиям Хансена-Вудъярда (см. например, Уолтер К. Х. Антенны бегущей волны. Под ред. А.Ф.Чаплина, М. Энергия, 1970, с.448) для формирования остронаправленного излучения необходимо, чтобы в антенне бегущей волны существовала замедленная волна, т.е. присутствовал набег фаз. А в предлагаемом случае это условие не выполняется, поскольку в ЦС вдоль сверхтонкого проводника распространяется волна с фазовой скоростью, почти равной скорости света. Это и приводит при определенном соотношении параметров антенны к формированию ДН в виде сектора с почти равномерным излучением. Экспериментально предлагаемая цилиндрическая спиральная антенна проверена для ср 1,5 м. Величина металлического экрана при этом составляла 1,1 ср. Широкополосность полученной антенны 10% На частотах выше 300 МГц и выше широкое применение находят цилиндрические спиральные антенны бегущей волны. Один из вариантов исполнения спиральной антенны приведён на рис.1. Она представляет собой спираль диаметром D
и шагом намотки S
, и металлического рефлектора, выполненного в виде диска или квадрата с размером ≈2D
. В зависимости от геометрических параметров (электрической длины периметра витка с
и электрической длины шага спирали S
) спиральной антенны, в ней могут возбуждаться различные типы волн (моды). Наибольшее значение на характер излучения антенны оказывает фазовое соотношение между соседними витками спирали. Нас интересует волна Т1
(рис.2), для которой характерно отличие на 360 градусов фазы токов на соседних витках. Волна Т1
образуется при электрической длине периметра витка, близкой к длине волны λ
, при этом спиральная антенна работает в режиме осевого излучения (максимум излучения совпадает с осью спирали). Оптимальные размеры спиральной антенны: Входное сопротивление антенн, при условии 12°≤α≤15°
, 0,75λ<с<1,33
λ
и количестве витков n>3
равно: RА
≈140·с/λ
(ом) Ширина основного лепестка диаграммы направленности по уровню половинной мощности: θ0,5
=52
·λ/с
·√nS/
λ
(градусов) На рис.3 изображён результат расчёта диаграммы направленности спиральной антенны в вертикальной и горизонтальной плоскости с помощью программы MMANA . Рис.3 Диаграмма направленности спиральной антенны. Цилиндрические спиральные антенны, работающие в режиме волны Т1
имеют круговую поляризацию. При приёме сигнала антенной с линейной поляризацией (вертикальной или горизонтальной) сигнал будет ослаблен на 3дБ (в два раза). Чтобы этого избежать, можно использовать систему из двух спиральных антенн с противоположным направлением намотки спирали и питаемых синфазно, расположенных на расстоянии 0,5 λ или 1,5 λ (рис.4). Входное сопротивление такой антенной системы будет равно 67,6 ома, что хорошо согласуется с волновым сопротивлением коаксиального кабеля (КСВ 1,1 и 1,35 для 75 и 50 омного кабеля соответственно). Волновое сопротивление однопроводной линии (рис.5) участка ab
должно соответствовать входному сопротивлению спиральной антенны (≈140ом). Для этого необходимо выдержать соотношение e/d
равным ≈2,75. Для согласования одиночной антенны или антенной системы, состоящей из трёх и более антенн в данном случае можно использовать экспоненциальный согласующий трансформатор, конструктивно выполненный в виде полосковой линии (рис.6). У экспоненциальной линии волновое сопротивление изменяется вдоль её длины по закону: Z 0 (x)=Z 01 e bx ,
где Z 01
- волновое сопротивление линии на входе Z 0 (x)
- волновое сопротивление линии в сечении, расположенном на расстоянии х
от её начала b
- параметр, показывающий скорость изменения волнового сопротивления линии В зависимости от КСВ и известного отношения Z02
/Z01
волновых сопротивлений в конце и в начале линии её минимальную длину расчитывают по формуле: На рис.7 изображён экспоненциальный согласующий трансформатор, расчитаный на согласование сопротивлений 140 ом и 50 ом на частоте 2450 МГц при КСВ 1,2. Расстояние e
равно 7 мм, диэлектрик - воздух (ε=1), толщина материала d
1 мм. Благодаря высокому коэффициенту усиления и стабильности электрических параметров, ввиду невысокой чувствительности к внешним факторам и отклонениям в геометрии, цилиндрические спиральные антенны могут найти широкое применение в системах связи и безопасности для организации дальней связи. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ.
Беньковский З., Липинский Э. Любительские антенны КВ и УКВ.
Уронов Л.Г.
ООО «ТехноСфера», 2011 г.
Как собрать спиральную антенну
Расчет спиральной антенны
,
где 
;
Литература
