Цилиндрическая спиральная антенна. Самодельные антенны: уличные, домашние Самая проста антенна для дачи — из металлических банок
Этот тип антенн хорошо подходит для дальнего приёма эфирного телевизионного цифрового сигнала. Подкупает простота изделия, всего две основные детали: отражатель из снегоуборочной лопаты и спираль из мотка силового провода. Ни одного паяного соединения, всё на винтах и скрутке. Нет сложных согласующих элементов. Тем не менее, коэффициент усиления конструкции достигает более 10 дБ, что позволяет использовать её в некоторых случаях без усилителя. Именно на эту антенну без усилителя я принял за городом цифровой телевизионный сигнал.
Хочу напомнить, что любая дециметровая антенна годится для цифрового канала вещания, разница будет только в дальности приёма. Но не всякая антенна обеспечит максимальный коэффициент усиления и согласования именно на нужной частоте. Какая бы сложная антенна не была, она имеет провалы и пики усиления во всём своём диапазоне принимаемых частот.
Именно спиральные антенны следили за полётом первого космонавта Юрия Гагарина.Когда первые советские луноходы, ориентируя спирали, бороздили поверхность Луны, я мечтал сделать такую же космическую антенну.
 |
| Фото 2. |
Нет ничего хуже незавершенных дел. За основу выбираю самую простую из всех типов спиральных антенн. Это однозаходная, спиральная, цилиндрическая (бывает ещё коническая), регулярная, то есть с постоянным шагом намотки или одинаковым расстоянием между витками. Таким образом, уже название антенны говорит о её конструкции. Именно такую конструкцию впервые предложилKraus J .D .
«Helical beam antenna ». – «Electronics », 1947 год. V 20, N 4. Р. 109.
Рекомендую для радиолюбителей лучшую настольную книгу «Антенны», издание 11, том 2. Автор Карл Ротхаммель. В книге собрано много практического материала почти всем видам антенн. Характеристики, параметры, практические расчёты, рекомендации.
Из этого издания я привожу характеристики спиральной антенны.
 |
| Рис. 1. |
Необходимо узнать на
какой частоте в вашем регионе идёт цифровое вещание и значение этой частоты
перевести в метры. Длина волны в метрах = 300 / F
(частота в МГц).
Для московских частот вещания двух цифровых пакетов, я выбрал среднюю частоту 522 МГц, что соответствует длине волны лямбда 57 см. В этом случае диаметр витка равен D = 17,7 см, расстояние между витками 13,7 см, расстояние от экрана до витка 7,4 см, а ширина экрана должна уложиться в 35 см.
В качестве экрана (отражателя) мне потребовалась неправильная снегоуборочная лопата из красивой блестящей нержавейки, постоянно гнущейся под тяжестью снега. Практика показывает, что отражатель не обязательно должен быть круглым, а делать сторону квадрата более двух диаметров витка спирали нет смысла.Спираль я сделал из сетевого силового провода диаметром около 2 мм, используя одну изего жил, не снимая с неё изоляцию, так как она прозрачна для радиоволн, а медная проволока не окисляется в ней под воздействием внешней среды. На практике толщина провода оказалась почти в 5 раз меньше теоретической, вот почему диапазон антенны получился узким. В дециметровом диапазоне антенна примет хорошо только несколько телевизионных станций аналогового вещания, тем не менее, два цифровых пакета, распложённых рядом по частоте вполне уместятся в полосе её усиления. Ещё потребуется 75-Омный коаксиальный кабель с разъёмом. Не рекомендую сильно увлекаться длиной кабеля, особенно если антенна без усилителя, так как в его каждом метре теряется от 0,5 до 1 дБ усиления и длинному кабелю потребуется согласующее устройство. В своей конструкции я использовал 3-и метра кабеля.
 |
| Рис. 2. |
Всего-то дел, намотать спираль, подсоединить к проводнику спирали кабель и прикрепить всё это к полотну лопаты. Но диэлектрического цилиндра нужного диаметра для фиксации провода спирали у меня не оказалось, и поэтому в качестве каркаса я использовал рейки и лист сухой фанеры, перенеся на неё размеры антенны с эскиза. Было бы круче, если бы использовались черенки от лопат вместо реек и фанеры, но я собирал только макет, и мне было удобно сделать всё на фанере. Когда обечайка стала обволакиваться проводом, самоделка была похожа на корпус летательного аппарата. Со стороны это выглядело менее безобидно, если бы я стал гнуть витки из медной трубки, как хотел раньше. Как я уже говорил, такую антенну удобно спрятать под конёк дома с крышей из мягкой кровли, андулина или шифера, прозрачной для радиоволн.
 |
| Фото 3. Испытание макета антенны. |
Для проверки антенны я использовал комнату мансарды, где с помощью лестницы приподнял самоделку поближе к потолку. В этом месте раньше работала Место испытание тоже. Владимирская область, 90 км на восток от Останкино. Теперь здесь работает спиральная антенна без усилителя. Она «видит» телецентр через: вагонку, пергамин, 10 см базальтовой ваты, доску обрешётки, фанеру OSB , подстилочный ковёр, чешую мягкой кровли и сгусток гвоздей разной длины.Остаётся закрепить её ещё выше, под конёк дома или разобрать, ведь это всего только макет.
 |
| Фото 5. Размер и шаг предыдущих конструкций антенн почти совпадают. |
Для улучшения параметров антенны не помешает применить согласующее устройство – трансформатор, обеспечивающий переход с сопротивления антенны равного 180 Ом на коаксиальный кабель с сопротивлением 75 Ом. Это пластинка из тонкой меди в виде треугольника, расширяющегося к экрану. Место крепления пластинки и её размеры я подобрал экспериментальным путём, применив две пластмассовые прищепки. В домашних условиях это легко сделать с помощью телевизора, спустив антенну на более низкий уровень, при котором изображение будет «заснеженным». Необходимо двигать, поворачивая пластинку, и на слух, по уменьшению уровня шума в аудио канале при приёме аналогового сигнала, близкого по частоте к цифровому пакету, определить её местоположение. После чего запаять.
Несмотря на нелепость формы у этой антенны есть преимущество. Она без усилителя, который после разрядов молний часто вылетает. На практике два раза усилители выходили из строя во время грозы у наружных антенн, расположенных в 30-и метрах от столба воздушной электропроводки, в который попадали молнии. У антенны расположенной под крышей дома, в шести метрах от столба-разрядника, случаи выхода усилителя из строя не зарегистрированы.Может выйти из строя блок питания самого усилителя, так как он, как правило, всегда под напряжением и ресурс его ограничен.
Ещё одно преимущество в том, что дальность этой антенны с усилителем будет больше, на сколько, проверьте сами.
Дополнение. Изменение конструкции антенны.
В этом году (2015) я решил доработать самодельную конструкцию спиральной антенны, используя вместо провода металлопластиковую трубку (металлопласт) диаметром 16 мм. Ранее собранные антенны уже прошли аналогичную операцию и заметно оживились. Претерпела оздоровление и спиральная антенна, но не обольщайтесь, прирост уровня сигнала составил только 10 процентов, а качество сигнала осталось на том же стопроцентном уровне.
 |
| Фото 7. Старая антенна. |
 |
| Фото 8. Изменение конструкции. |
Давно хотел сделать антенну, используя в качестве материала трубку. Останавливала схожесть с самогонным аппаратом и высокая себестоимость. Но вот материал найден и уже испытан на простых антеннах. Это легко гнущаяся трубка из высококачественного алюминия, обтянутого со всех сторон пластиком, продаётся на всех строительных рынках для прокладки водопровода.
 |
| Фото 10. Новая конструкция. |
 |
| Фото 9. Банка - оправка. |
Экономический
расчёт антенны.
Этот сложный расчёт мне пришлось проделать, зайдя в магазин «Всё для дома», на самой окраине Подмосковья и увидев металлопласт по цене 45 руб. Длина волны, частоты вещания, длина круга, число витков, усиление антенны….
4 метра выпалил я на кассе, подведя итог экономической части проекта. Себестоимость антенны не должна превысить минимальную акцизную стоимость бутылки водки.
Расчёт антенны.
Чисто по экономическим соображениям получилось 6,5 витков, на полвитка меньше предыдущей проволочной самоделки. Так же между витками я взял расстояние равное четвёртой части длины волны. Аналогичным образом подсчитал длину одного витка, но по практическим соображениям, уже имея опыт по изготовлению простых петлевых антенн, скорректировал зависимость металлопласта от частоты, сократил длину витка на 1,5 см. Так же подсчитал диаметр оправки, поделив скорректированную длину витка на 3,14. С учётом толщины трубки диаметр оправки взял на 8 мм меньше.
Регулировка.
Она заключалась в измерении КСВ (коэффициента стоячей волны) . Первоначально я измерил старую самоделку. Странно, но прибор заявлял об отличном согласовании с 50 Ом нагрузкой (КСВ = 1,5). С доработанной антенной тоже всё совпало, правда, при запитке с края полотна. Но конструктивно, уже впоследствии, я задействовал кабель по центру и КСВ упал до 2. Очень полезным оказался простенький самодельный КСВ-метр, совмещённый с самодельным генератором, настроенным на цифровые частоты вещания. С его помощью я смог не только определить КСВ антенны, но и проверить её работоспособность, когда каждый виток реагировал на подносимую крышку от кастрюльки качанием стрелки микроамперметра.
Итоги.
Изменение конструкции добавило прирост усиления на 10 процентов, и это при том, что в антенне на пол витка меньше. В целом она принимает программы в дециметровом диапазоне, работая в аналоговом режиме, не хуже антенны типа «волновой канал» (Уда – Яги), включающей в себя 12 директоров и усилитель с заявленным усилением не менее 26 дБ. Обе антенны расположены в одинаковых условиях на одном уровне от земли. Разница лишь в том, что работа покупной антенны, при приёме эфирного цифрового сигнала, зависит от погоды и времени дня, симулируя ухудшение прохождения радиоволн характерным крякающим звуком и зависанием телевизионных картинок, а то и полным отсутствием изображения. Радиоприём с самодельной антенной всегда постоянен.
Но в целом я остался недоволен данной конструкцией, поскольку ожидал от неё нечто большего, исключительно исходя из её габаритов и затраченных средств. Сравнивая эту спиральную антенну с предыдущей конструкцией , состоящую всего из двух фазируемых колец идентичного диаметра, сделанную из того же материала, я не нашёл существенного выигрыша, сравнивая их по уровням приёма.
Два фазированных кольца и шесть закрученных в спираль, дают усиление в теории 6 дБ и 10 дБ. Два кольца на открытом воздухе и 6,5 колец под крышей, на одинаковом уровне от земли и при практическом одинаковом уровне усиления в процентах. Может крыша и съела разницу в 4 дБ, а может реально трудно заметить эту разницу? В тоже время не выставлять же этот змеевик на улицу, открывая этим тему для лишних разговоров.
Упал ли я духом? Нет! Радиолюбительство - источник удовольствия. Займитесь радиолюбительством, ведь это интересно. Возможно, результат у вас будет лучшим.
Скорее всего, я ещё вернусь к этой спиральной антенне, ведь не заснула же она, кода антенна «волновой канал» перестала принимать эфир.
Введение
Современное состояние техники связи радиодиапазона нельзя представить без спиральных антенн. Этот тип антенных систем используется благодаря своим характерным качеством: широкополосность, эллиптическая поляризация поля при малых габаритах и простой конструкции.
Спиральные антенны используются как самостоятельно, так и в качестве элементов антенной решётки, облучателя, например, зеркальной антенны, что к преимуществам спиральных антенн прибавляет и направленность.
Благодаря свойству эллиптической поляризации спиральные антенны нашли применение в техники космической связи, поскольку, в ряде случаев поляризация принимаемого сигнала может быть случайной, например, от объектов, положение которых в пространстве изменяется или может быть произвольным (эти объекты могут быть: самолёты, ракеты, спутники и т.д.)
В радиолокации антенны с вращающейся поляризацией позволяют уменьшить помехи создаваемые отражениями от осадков и от поверхности Земли, обусловленные тем, что направление вектора напряжённости электрического поля изменяется на обратное.
Поле с вращающейся поляризацией может применяться также при работе одной и той же антенны на передачу и приёма для увеличения развязки между каналами (при этом излучаемые и принимаемые поля должны иметь противоположное направление вращение).
В настоящие время спиральные антенны широко применяются в качестве антенн устройств личной связи. Значительная доля сотовых телефонов, транковых аппаратов, и мобильных радиостанций содержат в своей конструкции спиральные антенны, работающие в режиме перпендикулярной оси излучения.
В настоящие время я собираюсь исследовать диаграммы направленности плоских спиральных и цилиндрических СА, проанализировать их зависимость от длинны, проследить изменение направленности при изменении параметров антенны. Так же сравнить характеристики СА между собой и с другими типами антенн.
В начале каждого раздела берется определенный тип СА. И дальше будут идти результаты компьютерного анализа для разных режимов и типов. Все расчеты и построения графиков будут проведены в программе МаthCAD 2001i.
Предполагается включение в приложения программ простейшего расчета характеристик спиральной антенны.
Особенностью теории СА является сложность расчета поля антенны.
Из различных конструкций диапазонных антенн эллиптической поляризации наибольшее применение получила спиральная антенна, предложенная Краусом в 1947 году, и ее различные модификации.
Чтобы иметь возможность производить расчет перечисленных характеристик и параметров СА в широком интервале частот, необходимо установить зависимость фазовых скоростей волн тока, распространяющихся вдоль провода в спирали от геометрии и частоты возбуждающего спираль напряжения.
Расчетам фазовой скорости волны тока, распространяющейсявдоль провода спирали, и установлению зависимости фазовых скоростей от геометрии и частоты возбуждающего спираль напряжения, посвящено много работ, первая попытка решения этой задачи принадлежит Поклингтону, который еще в 1897 году, решив задачу об определении фазовой скорости электромагнитной волны, распространяющейся вдоль прямого провода и вдоль кольца, пытался рассмотреть вопрос о распространении электромагнитной волны вдоль спирали. Это удалось ему сделать в ряде частных случаев. Если не считать отдельных работ в этом направлении, связанных с распространением электромагнитной волны в катушках интерес к этой теме возник в конце 40-х годов в связи с широким применением спиралей в качестве замедляющих структур.
Глава 1. Типы спиральных антенн
1.1 Типы спиральных антенн
Среди различных типов широкополосных антенн важное место занимают разнообразные спиральные антенны. Спиральные антенны являются слабо- и средненаправленными широкополосными антеннами эллиптической и управляемой поляризации. Они применяются в качестве самостоятельных антенн, возбудителей волноводно-рупорных антенн эллиптической и управляемой поляризации, элементов антенных решеток.
Спиральные антенны – это антенны поверхностных волн. По виду направителя (замедляющей системы) и способу обеспечения работы в широком диапазоне частот их можно разделить на:
· цилиндрические регулярные, у которых геометрические параметры (шаг, радиус, диаметр провода) постоянны по всей длине и широкополосность обусловлена наличием дисперсии фазовой скорости;
· эквиугольные или частотно-независимые (конические, плоские);
· нерегулярные, к которым можно отнести все другие типы спиральных антенн.
Рис.1.1. 3 Нерегулярные спиральные антенны:
а – плоская с постоянным шагом намотки (архимедова);
б – коническая с постоянным шагом намотки;
в – на поверхности эллипсоида вращения с постоянным углом намотки.
 |
Рис.1.1.4 Нерегулярная цилиндрическая спиральная антенна (с переменным шагом)
По числу заходов (ветвей) и способу их намотки спиральные антенны могут быть одно- и многозаходные с односторонней или двусторонней (встречной) намотки.
Отсутствие или наличие дополнительного замедления фазовой скорости и способ его реализации позволяют разделить спиральные антенны на следующие типы:
· из гладкого провода в однородном диэлектрике (воздухе),
· из провода, обладающего собственным замедлением (импедансные спиральные антенны),
· из провода с собственным замедлением и с диэлектриком (импедансные спирально-диэлектрические антенны).
 |
Рис. 1.1.5 Спиральные антенны с дополнительным замедлением:
а – импедансная;
б,в – спирально-диэлектрическая;
г – импедансная спирально-диэлектрическая.
Одним из основных свойств спиральных антенн является их способность работать в широкой полосе частот с коэффициентом перекрытия от 1.5 до 10 и более. Все спиральные антенны – это антенны бегущей волны, но одно обстоятельство само по себе не обуславливает работы спиральных антенн в диапазоне частот с таким коэффициентом перекрытия.
Работа однозаходных регулярных цилиндрических спиральных антенн и их модификаций в диапазоне частот возможна благодаря их дисперсионным свойствам, вследствие которых в широком диапазоне частот фазовая скорость поля вдоль оси спирали близка к скорости света, отражение от свободного конца спирали мало, длина волны в проводе спирали примерно равна длине витка.
В многозаходных цилиндрических спиральных антеннах рабочий диапазон дополнительно расширяется вследствие подавления в них ближайших низших и высших типов волн, искажающих диаграмму направленности основного типа.
Спиральные антенны с односторонней намоткой излучают поле с эллиптической, близкой к круговой, поляризацией. Направление вращения вектора поля соответствует направлению намотки спирали. Для получения линейной и управляемой поляризации используют спиральные антенны с двусторонней (встречной) намоткой.
Рис.1.1.6. Эквиугольные спиральные антенны с двусторонней (встречной) намоткой: а – коническая четырехзаходная; б – плоская трехзаходная.
Форма частотно-независимых (плоских и конических эквиугольных) спиральных антенн определяется только углами. Каждой длине волны в пределах рабочего диапазона соответствует излучающий участок неизменной формы и постоянных электрических размеров. Поэтому ширина диаграммы направленности и входного сопротивления приближенно остаются постоянными в весьма широких диапазонах частот (10:1 ...20:1).
Для получения однонаправленного излучения с эллиптической поляризацией в меньших диапазонах частот (2:1 ... 4:1) нет необходимости строго выдерживать форму антенны в соответствии с условием частотной независимости. Если при переходе от одной длины волны к другой форма и электрические размеры излучающего элемента повторяются хотя бы приближенно, антенна работает в диапазоне частот с меньшим постоянством характеристик и параметров. Следуя этому, можно построить очень широкое, не подчиняющееся точно принципу частотной независимости семейство антенн в виде одно- или многозаходных спиралей, навитых (по различным законам намотки) на различных поверхностях вращения. Иногда такие антенны называют квазичастотно-независимыми.
Квазичастотно-независимые спиральные антенны для получения управляемой и линейной поляризации также выполняются с двусторонней намоткой. Для получения управляемой, линейной и круговой поляризации могут также применяться различные (цилиндрические, эквиугольные и др.) двухзаходные спиральные антенны.
Рис.1.1.7. Квазичастотно-независимые спиральные антенны с двусторонней (встречной) намоткой и постоянным шагом: а – коническая четырехзаходная; б – полусферическая четырехзаходная; в – эллипсоидная четырехзаходная.
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.
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.
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.
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.
Этот комментарий, который я приведу ниже по тексту, решил выделить отдельной статьёй. У его автора получилась спиральная антенна, которая в наихудших условиях приёма обеспечила работу одновременно двум телевизорам, причём без усилителей и разветвителей. Он назвал свою конструкцию БИСПИРАЛЬНОЙ, хотя такое название уже сочетается с двойной спиральной и с двух спиральной антеннами, которые представлены в разных вариантах и в разных функциональных назначениях. Однако из приведённого примера, вы поймете, что это нечто другое, которому ещё необходимо придумать название.
БИСПИРАЛЬНАЯ
Продавец отговаривал от покупки
приёмника DVB –T2: «Принесёшь обратно – не ловится у нас!» Между источником и
моим городом 35 км. Расстояние не угрожающее, но поперёк устроены три линии
ЛЭП-500, ЛЭП-750 – источники помех. Кроме этого, прямой сигнал загорожен возвышенностью
с плотной застройкой 16-тиэтажками.
31-й (551 МГц) и 51-й (714
МГц) частотные каналы.
Первой была изготовлена и испытана двух кольцевая
антенна. Она помогла нащупать единственный вариант направления приёма, показала
«проблески» ТВ-сигнала, отражённого под острым углом от девятиэтажного дома,
стоящего в
полу километре
.
Изготовил 7-витковую спиральную антенну,
рассчитанную на 31-й канал. Основой каркаса служат 4 отрезка полипропиленовой
водопроводной трубы (малый тангенс!), для квадратной спирали – одиночный медный
многожильный провод сечением 4 кв. мм в виниловой изоляции, пятиметровый
кабель. Результат вполне устроил, уверенный приём обоих пакетов. Пробовал
сделать подобную антенну по размерам 51-го канала (714 МГц), результат – 31
канал она «не ловит». Отсюда сделал вывод: расчёт спиральной антенны следует
выполнять на низкочастотный канал. Вывод номер два: широкополосность спиральной
антенны обусловлена её конструкцией (так утверждает Карл Ротхаммель), а не
диаметром намотанного провода.
Всё было замечательно до той поры, когда
жена попросила устроить ей телевизор ещё и на кухне. Серьёзное расстояние (плюс
13 метров) передачи высокочастотного сигнала – это проблема. Использование
краба, а также включение приёмников «цугом» не привело к результату. Испытал
три модели усилителей SWA, с лучшим из них интенсивность сигнала подрастала с
70 до 90, но качества на дальнем не было совсем! По отдельности приёмники с
этой антенной обеспечивали уверенный приём обоих пакетов.
Строить вторую антенну – загромождать балкон….
Решение
пришло. Что если на этом же каркасе устроить вторую спираль, поместив витки
между витками первой? Сказано-сделано, доработка была выполнена в 1,5 часа.
Результат замечательный! Для второй спирали я использовал провод с посеребренной
экранной обмоткой. Интенсивность и качество сигналов на дальнем (!) приёмнике
подросли на 15 пунктов. Не замечено влияния приёмников друг на друга с такой
антенной.
Известно, что при сложении сигналов от двух спиралей интенсивность сигнала
удваивается. Соединять спирали я не пробовал, а было бы интересно. Любопытно
также попробовать четыре спирали на общем каркасе…
Надеюсь, что эта информация окажется
полезной пытливым и рукастым!
P.S. если была бы кнопка «вставить изображение» - приложил бы фото.
Ну, а теперь – мой выход.
Трудно не согласиться, что очень нужная информация. Остаётся только сожалеть, что ресурс этого блога не обеспечивает сопровождение комментарий фотографиями. Да и сам этот комментарий не сразу проявился, а нашёл я его случайно в кулуарах блога и втиснул в нужное место только спустя две недели.
Сразу по ходу комментария просто уточню, что при сложении двух спиралей, как и других антенн, обладающих направленными свойствами, их общий коэффициент усиления увеличивается только на 3 дБ, если отсчёт усиления этих антенн идёт от полуволнового вибратора (по крайней мере так утверждает автор двухтомника «Антенны» Карл Ротхаммель и «Справочник радиолюбителя конструктора» под общей редакцией Р. М. Малинина).
Опыт автора приложенного комментария практически доказывает, что чем хуже условия распространения радиоволн, тем сильнее сказывается преимущество круговой поляризации, которой обладают спиральные антенны, и даже с учётом потерь в 3 дБ в случае приёма сигнала от телевизионного передатчика с горизонтальной поляризацией.
Теперь же необходимо придумать название этой самодельной антенны, которую испытал автор. Чтобы не запутаться в терминологии спиральных антенн я решил поинтересоваться уже известными названиями, и, таким образом, получилась
Отмечу также, что из всего многообразия антенн только спиральные лидируют по количеству геометрических форм и соответствующих им названий, а что касается двух и более спиралей, то варианты названий пропорционально увеличиваются.
Спиральная антенна с горизонтальной поляризацией.
Это две спирали, с противоположным шагом намотки, расположенные параллельно друг другу в горизонтальной плоскости, с одним общим отражателем, с рекомендованным расстоянием между осями равным 1,5 величины длины волны. Если спирали расположены в горизонтальной плоскости, то они обладают горизонтальной поляризацией, если в одной плоскости друг над другом, то поляризация вертикальная. Две спирали по шесть витков дают усиление 14 дБ, если сравнивать с полуволновым вибратором (напомню, что 6 витков согласно таблице этого же издания – это 11 дБ). Перед одиночной спиралью с волновым сопротивлением 120 Ом сдвоенные спирали обладают преимуществом, так как их общее сопротивление 60 Ом, и они проще согласуется с коаксиальным кабелем 50 или 75 Ом. При однотипной укладке спиралей поляризация будет круговой.
Реже используется конструкция спиральной антенны с горизонтальной поляризацией, где две спирали с разным направлением намотки соединяются по одной оси.
Двойная спиральная антенна.
В том же двухтомнике (особые типы антенн для УКВ и ДМВ диапазонов, глава 26. 8.) существует ещё один термин «двойная спиральная антенна », на самом деле это антенна по свойствам сравнима с четвертьволновым штырём, где последний выполнен в виде спирали, а функцию противовеса выполняет спираль большего диаметра.
На частотах выше 300 МГц и выше широкое применение находят цилиндрические спиральные антенны бегущей волны. Один из вариантов исполнения спиральной антенны приведён на рис.1. Она представляет собой спираль диаметром D и шагом намотки S , и металлического рефлектора, выполненного в виде диска или квадрата с размером ≈2D .
В зависимости от геометрических параметров (электрической длины периметра витка с и электрической длины шага спирали S ) спиральной антенны, в ней могут возбуждаться различные типы волн (моды). Наибольшее значение на характер излучения антенны оказывает фазовое соотношение между соседними витками спирали.
Нас интересует волна Т1 (рис.2), для которой характерно отличие на 360 градусов фазы токов на соседних витках.
Волна Т1 образуется при электрической длине периметра витка, близкой к длине волны λ , при этом спиральная антенна работает в режиме осевого излучения (максимум излучения совпадает с осью спирали).
Оптимальные размеры спиральной антенны:
- Диаметр витка D=λ/π
- Шаг спирали S=0,25λ
- Угол спирали α=12°
Входное сопротивление антенн, при условии 12°≤α≤15° , 0,75λ<с<1,33 λ и количестве витков n>3 равно:
RА ≈140·с/λ (ом)
Ширина основного лепестка диаграммы направленности по уровню половинной мощности:
θ0,5 =52 ·λ/с ·√nS/ λ (градусов)
На рис.3 изображён результат расчёта диаграммы направленности спиральной антенны в вертикальной и горизонтальной плоскости с помощью программы MMANA .
Рис.3 Диаграмма направленности спиральной антенны.
Цилиндрические спиральные антенны, работающие в режиме волны Т1 имеют круговую поляризацию. При приёме сигнала антенной с линейной поляризацией (вертикальной или горизонтальной) сигнал будет ослаблен на 3дБ (в два раза). Чтобы этого избежать, можно использовать систему из двух спиральных антенн с противоположным направлением намотки спирали и питаемых синфазно, расположенных на расстоянии 0,5 λ или 1,5 λ (рис.4).
Входное сопротивление такой антенной системы будет равно 67,6 ома, что хорошо согласуется с волновым сопротивлением коаксиального кабеля (КСВ 1,1 и 1,35 для 75 и 50 омного кабеля соответственно). Волновое сопротивление однопроводной линии (рис.5) участка ab должно соответствовать входному сопротивлению спиральной антенны (≈140ом). Для этого необходимо выдержать соотношение e/d равным ≈2,75.
Для согласования одиночной антенны или антенной системы, состоящей из трёх и более антенн в данном случае можно использовать экспоненциальный согласующий трансформатор, конструктивно выполненный в виде полосковой линии (рис.6). У экспоненциальной линии волновое сопротивление изменяется вдоль её длины по закону:
Z 0 (x)=Z 01 e bx , где
Z 01 - волновое сопротивление линии на входе
Z 0 (x) - волновое сопротивление линии в сечении, расположенном на расстоянии х от её начала
b - параметр, показывающий скорость изменения волнового сопротивления линии
В зависимости от КСВ и известного отношения Z02 /Z01 волновых сопротивлений в конце и в начале линии её минимальную длину расчитывают по формуле:
,
где 
;
На рис.7 изображён экспоненциальный согласующий трансформатор, расчитаный на согласование сопротивлений 140 ом и 50 ом на частоте 2450 МГц при КСВ 1,2. Расстояние e равно 7 мм, диэлектрик - воздух (ε=1), толщина материала d 1 мм.
Благодаря высокому коэффициенту усиления и стабильности электрических параметров, ввиду невысокой чувствительности к внешним факторам и отклонениям в геометрии, цилиндрические спиральные антенны могут найти широкое применение в системах связи и безопасности для организации дальней связи.
Литература
Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ.
Беньковский З., Липинский Э. Любительские антенны КВ и УКВ.
Уронов Л.Г.
ООО «ТехноСфера», 2011 г.
