Как сделать спиральную антенну

Спиральная антенна для портативных радиостанций

Материалом заготовки антенны служит полиэтилен или любой другой, используемый для производства высокочастотных кабелей. На рис.1 приведены размеры и конструкция такой заготовки.

Формовка резьбового соединения в простейшем случае производится методом нагрева заготовки в корпусе разъема типа СР-50-74ФВ.

Размещение обмоток на заготовке показано на рис.2. Обмотка I содержит.80 витков провода, намотанного виток к витку на участке длиной 34 мм. Обмотка II содержит 29 витков провода, располагаемого равномерно по длине намотки 150 мм. Обе обмотки выполнены проводом марки ПЭВ-2 0,4 мм. Закрепляется конец намотки методом вплавления провода в полиэтилен.

Настройка антенны в резонанс ведется методом отмотки или домотки одного-двух витков провода со стороны разъема. Резонанса добиваются при максимальной отдаче мощности передатчика, что регистрируется прибором напряженности поля или любым анализатором спектра на расстоянии не менее 2 метров. По окончании настройки антенну необходимо поместить в гибкий влагонепроницаемый кожух.

Общий вид антенны в сборе показан на рис.3.

Радиолюбитель 5/92, с.14

Оценить статью

Средний балл статьи: 0 Проголосовало: 0 чел.

Комментарии (1) | Я собрал ( 0 ) | Подписаться

Для добавления Вашей сборки необходима регистрация

Удлинительная катушка L1 имеет сплошную намотку, и для середины Си-Би диапазона (20 канал) содержит 80 витков при длине намотки 34мм. Cпиральная часть антенны содержит 29 витков провода, располагаемого равномерно по длине намотки 150 мм. Начало катушки L1 просовывается в высверленное отверстие в заготовке, а конец cпиральной антенны закрепляется методом вплавления провода в полиэтиленовую заготовку. Настройка антенны в резонанс ведется методом отмотки или домотки одного-двух витков удлинняющей катушки L1. Резонанса добиваются при максимальной отдаче мощности передатчика, что регистрируется прибором напряженности поля или любым анализатором спектра на расстоянии не менее 2 метров. По окончании настройки антенну необходимо закрыть термоусадочной трубкой, учитывая то обстоятельство, что резонанс антенны немного уйдет вниз по частоте.

Источник

Малогабаритные антенны переносных станций СВ связи (Часть 1)

Введение

Широкое распространение передвижной связи на 27 МГц остро ставит вопрос об антеннах для таких средств связи.

Для переносных СВ-радиостанций в основном используются несимметричные штыревые антенны. Это связано с тем. что антенны других типов просто практически невозможно использовать с таким типом радиостанций.

1. Работа электрически коротких антенн переносных станций

Электрически короткая антенна состоит как из самой антенны, которая включает излучающий элемент, так и из элементов системы его согласования и системы его заземления. В соответствии с ним общее сопротивление антенны Ra состоит из сопротивления штыря (Rш) и сопротивления его заземления (Rз) (рис.1).

Входит в формулу и «сопротивление среды» Rср. которое уменьшается при увеличении количества противовесов и длины антенны.

Полезная ВЧ энергия рассеивается на Rш, поэтому нужно стремиться к уменьшению величин Rз и Rсp. В общем случае с помощью специальных методов можно замерить сопротивление «земли», но для практики можно принять, что сопротивление корпуса СВ радиостанции длиной 20. 30 см, используемого в качестве противовесов, дли этой формулы составляет величину не менее 150. 300 Ом.

Контакт с рукой человека несущественно изменяет ну величину. Но подключение резонансного четвертьволнового противовеса длиной 2,7 метра снижает сопротивление земли Rз. Уже один противовес уменьшает сопротивление Rз примерно до величины не более 50. 60 Ом. а при наличии трех-четырех противовесов можно считать Rз пренебрежимо малой величиной 5. 10 Ом. Сопротивление среды определяется взаимодействием штыря антенны с его «земляной» системой. Если в полноразмерной четвертьволновой штыревой антенне это взаимодействие происходит в большом пространстве и имеет незначительную вследствие этого величину, то в укороченных антеннах электромагнитное взаимодействие короткой антенны с коротким противовесом происходи г в ограниченном объеме пространства. Причем любое вмешательство в этот объем существенно изменяет сопротивление среды, и. следовательно, оказывает значительное влияние на параметры такой антенной системы. Причем в такой антенной системе с укороченными элементами существенное увеличение одного из них. например штыря до величины четвертьволнового, или противовеса, не вызывает существенного снижения Rcp. И только увеличение (т.е. удлинение) как штыря, так и противовеса вызывает падение Rcp.

В общем случае хорошо согласованная антенна под влиянием этих факторов может полностью рассогласоваться.

2. Спиральная антенна

рис.2

Справедливость этих утверждений легко проверяется практически. Так, при изменении параметров согласующей цепи меняется резонансная частота антенной системы. Даже весьма незначительное изменение концевой емкости антенны сильно меняет ее резонансную частоту [2]. И спиральные антенны сильно подвержены влиянию посторонних предметов. Уже приближение руки на расстояние 20 см приводит к рассогласованию антенны с передатчиком, т.к. из-зa изменения концевой емкости изменяется ее резонансная частота. Здесь уместно проводить настройку по методу, предложенному в [3]. Он заключается в том, что спиральную антенну настраивают так, что при приближении руки (или из-за иного рассогласующего влияния) напряженность поля сигнала возрастает, а затем уменьшается. В данном случае антенна настроена не точно в резонанс, а немного в стороне от него.

Как показывают измерения напряженности поля, в этом случае напряженность поля составляет около 85% от напряженности поля при точном резонансе. Зато при испытании радиостанции с антенной, настроенной в резонанс, и с антенной, настроенной на скат характеристики антенны, преимущества последней очевидны. Так, при использовании станции с резонансной антенной в процессе радиосвязи при приближении антенны к человеку происходили значительные колебания напряженности поля. При использовании же радиостанции с антенной, настроенной на скат характеристики, рассогласующее влияние человека проявлялось гораздо слабее и колебание напряженности поля было незначительным. Исходя из этого, можно рекомендовать настраивать спиральные антенны по методу, предложенному в [З]. Лишь в случае, если спиральная антенна работает в условиях, где исключено влияние рассогласующих факторов, можно настраивать антенну по максимуму напряженности поля.

При измерении напряженности поля, обеспечиваемою спиральной антенной и штыревой антенной с удлиняющей катушкой, оказалось, что настроенная в резонанс штыревая антенна длиной не менее чем в три раза большей, чем испытуемая спиральная антенна, обеспечила такую же напряженность поля. Из этого можно заключить, что в переносных станциях наиболее оптимальным вариантом антенны является спиральная, которая прочнее и проще в конструкции, чем такая же но параметрам штыревая антенна. При этом необходимо учитывать, что в данном случае короткий корпус радиостанции является лучшей «землей» для спиральной антенны, чем для такой же по параметрам штыревой. Но спиральная антенна, обеспечивая большую напряженность поля, создает предпосылки для неустойчивой работы передатчика.

Действительно, при экспериментах выяснилось, что тот же самый передатчик, устойчиво работавший с внешней антенной с кабельным питанием, при подключении к нему спиральной антенны возбуждался. Лишь более тщательная экранировка и подстройка согласующих контуров позволила работать передатчику со спиральной антенной без самовозбуждения.

Есть еще один очень важный момент при использовании спиральных антенн. При подключении такой антенны через коаксиальный кабель ее резонансная частота вследствие внесения реактивности кабеля в комплексное сопротивление антенны и, соответственно его изменения. изменяется и ее необходимо подстроить.

Спиральная антенна должна быть подключена по возможности короткими проводниками к выходному согласующему контуру. Это позволяет обеспечить необходимую полосу пропускания и минимальное паразитное излучение соединительной линии.

3. Практические конструкции спиральных антенн

Ниже рассмотрены практические конструкции спиральных антенн, опубликованные в литературе последних лет. Параметры антенн были измерены с помощью антенноскопа.

Спиральная антенна, конструкция которой показана на рис.3, была опубликована в [4]. Испытания данной антенны показали, что четвертьволновой эта антенна является на диапазоне 21 МГц. Действительно, совместно с резонансным четвертьволновым противовесом сопротивление антенны здесь составило порядка 40 Ом. с небольшой реактивностью.

При подключении такой антенны к трансиверу с мощностью 40 Вт через коаксиальный кабель длиной около десяти метров и расположении антенны в проеме окна удалось провести несколько связей на 21 МГц с RST56-58, что еще более укрепило мое мнение о ее истинном резонансе. Но все же путем подстройки витков и емкости, как показано в [4]. удалось установить, что в диапазоне 27 МГц возможен ее резонанс, соответствующий эквивалентной длине антенны в половину длины волны.

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

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

4. Изготовление и настройка спиральных антенн

В литературе рекомендуется выполнять спиральные антенны на полиэтиленовом сердечнике коаксиального кабеля. Действительно, это оптимальный вариант материала для такой антенны. Кабель для изготовления спиральной антенны желательно использовать 75-омный, потому что он обычно содержит одиночный внутренний проводник, который легко можно вытащить плоскогубцами, зажав сам кабель за другой конец в тисках. Если использовать для изготовления каркаса антенны 50-омный кабель, который обычно имеет центральный проводник, состоящий из нескольких медных проводов, могут возникнуть трудности по их удалению.

Следует заметить, что спиральная антенна это несимметричная система. К. передатчику ее следует подключать только тем концом, который указан в ее описании. При подключении антенн, показанных на рис.6 и 7, другим концом, они будут иметь уже совсем другие резонансы, далеко отстящие от диапазона 27 МГц. Даже при перемене конца подключения такой, казалось бы. симметричной антенны как на рис.5, происходит смещение ее резонанса из-за некоторой несимметричности выполнения антенны.

Конструктивно удобно выполнять ее конец, подключенный к передатчику, с помощью разъема СР-50 или СР-75. путем заплавления туда пластиковой основы антенны. Oт металлического каркаса разъема до начала намотки спирали должно быть не менее 12 мм. При изготовлении антенны не обязательно стремиться к использованию основы указанного диаметра. Отступление в 2. 3 мм вполне допустимо. Например можно использовать вместо 7-миллиметровой полиэтиленовой основы 9 мм, также ее можно использовать вместо 12 мм. Хотя параметры антенны при этом изменяются, ее вполне можно настроить на диапазон 27 МГц.

Настраивают антенны, как и указано в описании, путем отмотки витков со стороны более плотной намотки. В случак изготовления всех описанных здесь антенн удалось настроить на диапазон 27 МГц путем отмотки части витков. т.е. они были заранее рассчитаны на резонансную частоту чуть ниже 27 МГц. Для эффективной работы антенны следует иметь хорошую «землю» станции, например металлический корпус. Если такового нет, необходимо проложить в удобном месте на всю длину станции медную или алюминиевую широкую фольгу. Такой противовес дает увеличение напряженности поля примерно на 15. 20%, что примерно так же повышает дальность связи. В некоторых случаях он помогает убрать самовозбуждение передатчика.

Размеры спиральной антенны можно считать оптимальными, когда ее длина примерно на 20% больше длины корпуса-противовеса. Если антенна меньше этой величины. повышается влияние на нее тела человека и других посторонних предметов. Дальнейшее увеличение ее не вызывает такого же увеличения напряженности поля, проще использовать четвертьволновой противовес для увеличения дальности связи.

Источник

Спиральные антенны

Приветствую, дорогие друзья. На связи человек-антенна Тимур Гаранин.

Меня просили и сегодня я сделаю лекцию о принципах работы спиральных антенн.

Начнем с того, что такое Круговая поляризация. (КРУГОВАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ. РЕЖИМ ОСЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ)

Что такое линейная, или плоская поляризация, я думаю, все мы знаем. Это когда вектор напряженности электрического поля движется вверх вниз, или вправо влево.

Круговая поляризация подразумевает вращение вектора электрического поля. Причём вращение бывает правым и левым. Круговую поляризацию можно создать несколькими способами. Например, можно использовать систему из двух перпендикулярных вибраторов, сигнал в которых сдвинут на 90 градусов. Так работают многие антенны, например турникетная антенна или широкополосные логопериодическая и Вивальди.

А можно создать круговую поляризацию, направив сигнал на круговой виток полотна. Именно этот способ используют в спиральных антеннах, и сейчас мы детальнее рассмотрим, что происходит внутри витка спиральной антенны.

В спиральных антеннах длина витка примерно равна одной длине волны в полотне. Представим, что мы подаем на этот виток синусоидальный сигнал, и в начале витка у нас точка максимального потенциала. Соответственно, через половину длины волны, то есть на противоположном конце витка у нас точка минимального потенциала. Сигнал продолжает распространяться по полотну. Следовательно, точки минимума и максимума потенциала сдвигаются, что приводит к вращению вектора электрического поля между этими точками.

Мы рассмотрели, что происходит с одним витком. А теперь представим, что у нас много витков, длина каждого из которых равна длине волны.

В этом случае точки максимумов и минимумов потенциала во всех витках двигаются синхронно.

Но есть один очень важный нюанс. Если поле витков будет синхронно, то антенна будет излучать в круговом режиме.

Для того, чтобы антенна излучала в осевом направлении, нам не нужно чтобы максимумы и минимумы потенциалов в витках двигались синхронно. Нам нужно, чтобы максимум потенциала во втором витке появился в нужной точке не одновременно с первым витком, а тогда, когда электрическое поле от первого витка дойдет до второго. То есть с маленькой задержкой. В этом случае поле 1 витка и 2 витка складываются. Дальше суммарное поле двух витков достигает третьего витка, и только в этот момент максимум потенциала в третьем витке должен оказаться в нужном месте.

Если такая задержка правильно реализована, то, пройдя вдоль всех витков, электрическое поле значительно усилится в осевом направлении. Этим и объясняется очень узкая диаграмма направленности спиральной антенны. Для того, чтобы реализовать подобную задержку, нужно либо немного увеличить длину витка, либо чуть-чуть повысить частоту.

Сколько витков нужно, чтобы спиральная антенна эффективно преобразовывала сигнал в электрическое поле? Так как спиральная антенна — это антенна бегущей волны, то теоретически, чем больше, тем лучше. Но на практике длина спиральной антенны в осевом направлении обычно составляет около 1 длины волны пространстве.

Всё, что мы говорили о передающей антенне, относится и к приёмной. Приёмная и передающая спиральные антенны конструктивно идентичны и взаимозаменяемы.

Одним из свойств сигнала с круговой поляризацией является то, что при отражении сигнала от объектов его поляризация меняется на противоположную. То есть левая поляризация меняется на правую, и наоборот. Это означает, что приёмная антенна не способна принимать отраженный сигналы. Спиральные антенны могут работать только в режиме прямой видимости. Но зато они обладают выдающейся узкой диаграммой направленности, что очень выгодно для межпланетных передач. Поэтому на многих космических аппаратах и планетоходах установлены именно спиральные антенны.

А теперь поговорим про работу спиральной антенны в режиме кругового излучения. Для этого режима необходимо, чтобы длина витков была абсолютно равна длине волны в полотне. Рассмотрим, как расположены точки максимумов и минимумов потенциала в полотне антенны в таком случае. Даже сейчас уже просматривается сходство с зигзагообразной антенной. Так и есть. В полотне спиральной антенны сигнал распределяется точно так же как в полотне зигзагообразной антенны. Но есть разница в их диаграммах направленности. Спиральная антенна излучает во все стороны по горизонту равномерно. В то время как у зигзагообразной антенны максимумы диаграммы направленности находятся спереди и сзади антенны.

Зато диаграмма направленности турникетный антенны полностью совпадает с диаграммой направленности спиральной антенны. В принципе, по характеристикам излучения турникетная и спиральная антенны — братья близнецы. Это как раз тот случай, когда конструктивно разные антенны полностью совпадают по характеристикам излучения. Спиральная антенна создаёт вращающаеся поле при помощи витков сплошного полотна, турникетная антенна создает такое же вращающееся поле при помощи отдельных перпендикулярных вибраторов.

В режиме кругового излучения поляризация сигнала совпадает с поляризацией элементарных излучателей. В данном случае поляризация сигнала будет горизонтальной. И принимать такой сигнал можно при помощи обыкновенного горизонтального диполя.

ПАУЗА (РЕЖИМ ПОПЕРЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ)

Режим осевого и кругового излучения это ещё не все режимы, в которых может работать спиральная антенна. (ПЕЧАТНАЯ КВАДРАТНАЯ ПЛОСКАЯ СПИРАЛЬ)

Представим, что у нас есть плоская спиральная антенна, и мы подаем на неё сигнал, длина волны которого сильно больше длины витка антенны. В идеальном случае длина всего полотна антенны равняется четверти длины волны подаваемой частоты. В этом случае ток во всех витках антенны будет течь в одном направлении, и вся антенна будет работать как магнитная антенна вибраторного типа. Она будет создавать вокруг себя переменное магнитное поле. И максимумы диаграммы направленности будут расположены в плоскости витков антенны. Такой режим работы антенны называется поперечным.

Также форму спирали часто имеют укороченные стержневые антенны, напиример в некоторых мобильных устройствах. Но к спиральным антеннам их не стоит относить, т.к. их излучение аналогично излучению обычного несимметричного вибратора.

Мы рассмотрели 3 режима работы спиральных антенн, осевое излучение, круговое и поперечное излучение. Стоит отметить, что в 98% случаев спиральные антенны используются именно в режиме осевого излучения. Так как именно этот режим обеспечивает самую узкую диаграмму направленности и, соответственно, бОльшую дальность приема и передачи.

Как спиральная антенна подключается к кабелю?

Оплетка кабеля подключается к рефлектору, а центральный провод — к полотну антенны. Но здесь есть один нюанс. Волновое сопротивление полотна спиральной антенны очень велико, около 300 ом. Это значительно больше, чем волновое сопротивление кабеля. Для того, чтобы согласовать их волновые сопротивления используют согласующее устройство, которое выглядит как вытянутый треугольник, либо просто полоска металла. Суть согласующего устройства состоит в том, что оно должно плавно перевести маленькое волновое сопротивление кабеля в высокое сопротивление полотна антенны.

Есть ещё один способ. Создание антенных решеток. Спиральные антенны можно очень легко включать параллельно, и при этом их волновое сопротивление будет разделено на количество антенн. То есть, если мы включим параллельно 4 спиральные антенны, каждая из которых имеет сопротивление 300 ом, то их суммарное сопротивление составит заветные 75 ом. Более того, аккуратно выполненная антенная решетка ещё больше сузит диаграмму направленности и увеличит дальность приёма.

Пару слов о рефлекторе. Я уже говорил, что отражение сигнала с круговой поляризацией меняет направление поляризации, и такой сигнал будет бесполезен для приёма. Но почему же тогда мы применяем рефлекторы? Дело в том, что рефлектор находящейся позади антенны меняет не только вращение круговой поляризации, но и само направление распространения волны. И в таком случае прямой и отраженный сигнал будут синфазны.

Рефлектор обычно представляет собой квадрат или круг диаметром около 1 длины волны.

Однако, спиральные антенны могут работать и без рефлектора. В космонавтике широко распространены антенны, в которых кабель подключается к двухпроводному полотну. Такая антенна содержит две спирали, повернутые друг относительно друга на 180 градусов. Таким образом максимумы и минимумы потенциала в этих антеннах автоматически располагаются диаметрально. А концы спиралей замыкаются друг на друга, что исключает возникновение стоячих волн даже, если антенна содержит мало витков.

ПАУЗА (ВАРИАНТЫ КОНСТРУКЦИЙ СПИРАЛЬНЫХ АНТЕНН)

Классическая архитектура спиральной антенны очень чувствительна к частоте, то есть антенна очень узко диапазонная. Малейший сдвиг по частоте уже приводит к сдвигу максимумов и минимумов потенциала в витках.

Как можно расширить частотный диапазон спиральных антенн? Для этого начинают менять длину, толщину витков и шаг между витками. Кроме того, спираль антенны могут выполнять на коническом, сферическом и даже плоском основаниях. Таким образом, получаются конические, плоские и другой геометрии спиральные антенны. Они всё также изучают в осевом направлении, но теперь их частотный диапазон значительно расширен. Фактически, на каждой конкретной частоте такие антенны излучают не всеми витками, а только теми, длина которых совпадает с длиной волны. Поэтому ради широкополосности жертвуют коэффициентом усиления на каждой конкретной частоте.

Но иногда узкая диаграмма направленности и коэффициент усиления являются критически важными. Например, для межпланетной связи. В таком случае оправдано применение директорных систем. Директоры спиральных антенн работают точно так же как и в любых других антеннах. Это набор пассивных вибраторов, которые усиливают сигнал в заданном направлении.

А сейчас давайте закрепим, что мы сегодня узнали:

1. В режиме осевого излучения спиральная антенна создаёт сигнал с круговой поляризацией

2. В режиме осевого излучения длина витков спиральной антенны должна быть немного больше длины волны в полотне для создания фазового сдвига в осевом направлении

3. В режиме кругового излучения длина витка спиральной антенны должна быть точно равна длине волны сигнала в полотне.

4. В режиме кругового излучения сигнал спиральной антенны полностью аналогичен сигналу турникетной антенны.

5. Если длина витков спиральной антенны намного меньше длины волны сигнала, то антенна работает в режиме поперечного излучения, подобно магнитной антенне

6. Для согласования высокого волнового сопротивления спиральной антенны с низким сопротивлением кабеля используются либо согласующие устройства, либо включение нескольких антенн параллельно в антенной решётке

7. Спиральные антенны могут использоваться как с рефлектором, так и с двухпроводной схемой спирали.

8. Для расширения полосы частот применяют спиральные антенны с переменными длиной, толщиной витка и шагом между витками.

9. Для увеличения дальности приёма и коэффициента усиления в заданном направлении используют директорные системы.

На этом я заканчиваю данное видео. Надеюсь, вы извлекли из него определённую пользу. Всем удачи!

One Response to “Спиральные антенны”

Спасибо большое за статью. Она была написана именно на том уровне, который мне был нужен для общего теоретического ознакомления с этим устройством. Возможно, для лучшего понимания, было бы хорошо сделать несколько рисунков/диаграм для разной направленности излучения — для осевого, кругового и поперечного.

Источник