Ребристо стержневая антенна своими руками

Обновлено: 05.07.2024

Собираю модификацию Yaga - Луноход, ребристо-стержневую антенну. По сему несколько вопросов:

1. Какая разница в материале штыря и рёбер? Вероятно, имеет смысл сделать штырь и экран немагнитопроводными, например, из алюминия, а рёбра - магнитопроводными, например из железа. Встречал варианты, когда на медный штырь напаиваются медные рёбра, или жестяные рёбра напаиваются на латунь. Как лучше?

2. Если "Луноход" - некая модификация Yaga, то принципы расчёта те же?

3. Встречал варианты размеров Yagi с расстоянием между рёбрами, дальними от экрана - 23.7 и 36 мм. Что соответствует истине? Частота 2,4 Ггц.

4. Видел отражатель в виде консервной банки (а-ля рупор). Как нужно её подбирать под Луноход?

5. У "шайб" лунохода, из размеров, кроме толщины и наружного диаметра, имеется и внутренний диаметр. Как его рассчитывать?

Диэлектрические стержневые антенны. Диэлектрические стержневые антенны, относящиеся к антеннам осевого излучения, наиболее широко применяются в диапазоне сантиметровых волн. Антенны представляют собой диэлектрический стержень, выполненный из высокочастотного диэлектрика с малыми потерями (полистирол, тефлон). Возбуждение обычно осуществляется отрезком волновода прямоугольного или крутого сечения (рис. 22). Структура поля в волноводе соответствует волне основного типа - Н₁₀ (прямоугольный волновод) или Н₁₁ (круглый волновод).

Рисунок 22. Вид возбуждающих волноводов

При бесконечной длине стержня указанный способ возбуждения приводит к возникновению в стержне как в диэлектрическом волноводе бегущей волны гибридного типа НЕ₁₁, имеющей продольные составляющие как магнитного, так и электрического поля.

Структура поля этой волны изображена на рисунке 23.

Волна НЕ₁₁ относится к так называемым поверхностным волнам, поле которых при удалении от поверхности стержня в радиальном направлении убывает по закону, близкому к экспоненциальному.

Рисунок 23. Структура поля волны НЕ₁₁

Физически возникновение поверхностной волны объясняется эффектом полного внутреннего отражения на границе раздела диэлектрик воздух. Фазовая скорость волны υ зависит от материала стержня. Чем больше диаметр стержня, тем ближе υ к скорости света в неограниченном диэлектрике, т.е. к величине где - относительная диэлектрическая проницаемость материала стержня. С уменьшением d величина при этом волна слабо связана со стержнем. Особенностью волны НЕ₁₁ в диэлектрическом волноводе является отсутствие критической длины волны т.е. волна может распространяться в стержне при любом его диаметре. Однако при большом диаметре в стержне могут возбудиться волны высших типов, что нежелательно.

Отметим, что поверхностной волне НЕ₁₁, передается только часть мощности подведенной к возбуждающему волноводу. Остальная часть мощности непосредственно излучается возбудителем в окружающее пространство. Соотношение между этими мощностями определяет эффективность возбудителя

При конечной длине диэлектрического стержня можно приближенно полагать, что структура поля остается такой же, как в бесконечном волноводе, однако обрыв стержня приводит к возникновению излучения. Результирующая ДН антенны определяется взаимодействием излучения, формируемого за счет конечности стержня, и непосредственного излучения возбудителя. Сложный характер формирования ДН затрудняет дать оценку точного положения фазового центра. В первом приближении считают, что он находится в средней точке по длине стержня.

Строгий расчет поля излучения чрезвычайно сложен и требует решения соответствующей задачи дифракции. Приближенно можно считать, что по направленным свойствам диэлектрическая антенна соответствует непрерывной системе излучателей, возбуждаемых с равной амплитудой и линейным изменением фазы, характерным для антенны бегущей волны. Роль излучателей играют так называемые токи поляризации, плотность которых определяется разностью диэлектрической проницаемости стержня и диэлектрической проницаемости окружающей среды.

Как видно из рис. 23, токи поляризации, соответствующие волне НЕ₁₁ имеют преимущественное направление, параллельное оси х, и формируют линейно поляризованное поле излучения. Направленные свойства каждого элементарного излучателя могут не учитываться в приближенных расчетах основного лепестка результирующей ДН. Однако в области первых боковых лепестков ДН излучающего элемента может оказать сильное влияние.

Отраженная волна от конца стержня приводит к появлению в ДН дополнительных боковых лепестков, соответствующих излучению антенны в обратную сторону. Коэффициент отражения зависит от скорости волны в стержне. Для уменьшения отраженной волны стержню придают коническую форму, что приводит к постепенному росту фазовой скорости и приближению ее к скорости света с конца стержня. Расчет основного лепестка ДН такой антенны может быть осуществлен, как и для цилиндрической антенны по величине в середине стержня. Уровень боковых лепестков у конической антенны получается меньше.

На рис. 24 приведены результаты точного расчета ДН двух антенн длиной конического стержня с максимальным диаметром (сплошная линия) и цилиндрического стержня с диаметром, равным среднему диаметру конического стержня (штриховая линия).

Рисунок 24. ДН антенн конического стержня (сплошная линия) и цилиндрического стержня

Диэлектрические антенны являются сравнительно широкополосными. Диапазон рабочих частот определяется в основном свойствами возбуждающего волновода. Ширина ДН по уровню половинной мощности одиночной диэлектрической антенны составляет обычно не менее 20. 25°. Применяются диэлектрические антенны как самостоятельные излучатели, облучатели зеркал и элементы различных решеток.

Используются также ребристо-стержневые антенны, аналогичные по своим свойствам диэлектрическим стержневым антеннам (рис. 25, а). Для получения вращающейся поляризации возбуждение ребристо-стержневых антенн осуществляется спиральным излучателем (рис. 25, б).

Рисунок 25. Ребристо-стержневая антенна

Плоские антенны поверхностных волн. Наряду с диэлектрическими стержневыми антеннами применяют плоские диэлектрические и ребристые (гофрированные) антенны, получившие также название импедансных.

Антенны состоят из возбудителя, например, рупорного типа и структуры, направляющей волну, в виде слоя диэлектрика на металле или ребристой поверхности (рис. 26). Ребристые структуры обычно применяются в сантиметровом диапазоне волн. Диэлектрические структуры, имеющие несколько большие потери, предпочтительны в дециметровом диапазоне из-за конструктивных преимуществ. Антенны могут быть также снабжены экраном, выступающим перед направляющей структурой. Роль экрана может играть поверхность корпуса объекта, на котором расположена антенна.

Рисунок 26. Плоские антенны поверхностных волн

При соответствующем выборе параметров направляющей структуры поле над ней имеет характер поверхностной волны типа Е, не обладающей критической длиной волны причем при указанном способе возбуждения вектор магнитного поля параллелен оси y, а электрическое поле кроме имеет составляющую .

Направляющую структуру принято характеризовать поверхностным сопротивлением (импедансом), равным отношению касательных к поверхности составляющих векторов и

(7)

Величина для ребристой структуры зависит от глубины канавок, для диэлектрического слоя - от диэлектрической проницаемости и толщины слоя. Для поддержания поверхностной волны сопротивление должно иметь индуктивный характер. Для ребристой поверхности это достигается, если глубина канавок не превосходит 0,25λ.

Направленные свойства плоской АПВ, как и диэлектрической стержневой антенны, определяются в основном взаимодействием излучения, вызываемого ограниченными размерами направляющей поверхности, и непосредственного излучения возбуждающего устройства. Приближенно ДН может быть вычислена так же, как для антенны бегущей волны длиной L с замедленной фазовой скоростью. Излучающим элементом антенны можно считать полосу тока с амплитудным распределением по оси у, соответствующим распределению в раскрыве возбудителя, т.е. по закону cos(πy/d). На форму ДН в Е-плоскости влияют также токи, возбуждаемые на экране. Конечность экрана приводит к отклонению максимума излучения от продольной оси антенны на некоторый угол. Отметим, что точный расчет оптимальной длины антенны затруднен ввиду сложной зависимости ее от эффективности работы возбудителя.

Преимуществом плоских АПВ является малая высота. Подобные антенны практически не выступают над поверхностью объекта, на котором они установлены, поэтому их особенно целесообразно использовать на самолетах и других передвижных объектах.

Заключение

Существует несколько модификаций схем питания вибраторов: последовательного питания, параллельного питания и их комбинации. Наиболее простой является схема, в которой вертикальные группы вибраторов питаются последовательно, но соединяются между собой параллельно на входе антенны. Вибраторы вертикальной группы подсоединяются к вертикальной двухпроводной линии. Поскольку напряжение в точках линии, удаленных друг от друга на меняется на 180°, для обеспечения синфазности питания вибраторов провода фидера перекрещиваются.

В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн для получения узких ДН, максимум которых ориентирован по нормали к антенне или отклонен от нее на некоторый угол, широко используются многощелевые волноводные антенны. Обычно применяются щели, прорезанные в узкой или широкой стенке прямоугольного волновода, работающего в режиме волны Н₁₀ и возбуждаемые токами, текущими на внутренней поверхности стенок волновода.

Спиральные антенны широко применяются в диапазонах сантиметровых, дециметровых и реже метровых волн. Антенна состоит из спирального провода, соединенного с внутренним проводником возбуждающего коаксиального кабеля. Внешний провод (оплетка) кабеля присоединяется к металлическому диску (экрану), который препятствует проникновению тока, текущего по внутренней поверхности кабеля, на его наружную поверхность. Кроме того, диск играет роль рефлектора, уменьшая излучение антенны в заднее полупространство.

Из-за частых нареканий на качественные характеристики современных радиоприемников, которые встраивают в музыкальные центры, приходится использовать дополнительные внешние антенны и усилители.

В данном случае выручает ФМ антенна для музыкального центра, и ее вполне реально сделать самостоятельно из подручных материалов. Проблема плохого приема сигнала актуальна для отдаленных сел или в поездках.

Поэтому самостоятельно сделанная антенна для fm радио способна помочь радиоприемнику работать без сбоев.

Важно! Чем выше расположить ФМ антенну по отношению к слушателю, тем лучше будет качество приема сигнала.

FM антенны для музыкальных центров — что это такое

Радиоантенна ФМ – это устройство, предназначенное для улучшения качественных показателей приема радиовещания и трансляций.

Основная функция таких антенн — прием сигнала в тех случаях, нужная станция не может самостоятельно принять качественный радиосигнал.

Важно! Разновидности всех антенн определяют по диаграммам направленности.

Различают два вида антенн ФМ: активные и пассивные. Все виды характеризуются областью пространства, где находится максимальный показатель главного излучения принимаемого или передаваемого сигнала.

Пассивными считаются штыревые конструкции, активная антенна радио — это усовершенствованная модель, имеющая усиливающий противовес.

В отдельную категорию стоит выделить остронаправленные ФМ антенны — они распространяют радиосигнал в строго определенной области, не рассеивая его попусту, и, соответственно, экономя электричество.

Принцип действия

Радиосигнал, поступающий на ФМ антенну, усиливается, принимается или передается.

Более подробно принцип действия устройства можно объяснить следующим образом:

Радиоволны в виде переменного электромагнитного поля поступают к антенне.
Она выдает в ответ разнонаправленные токи, появляющиеся за счет приема радиоволн.
Появляются совпадения частот и токов — частотность излучения передатчика с переменным полем, ток на приемнике с током на передатчике.
Если длина волны кратна размерам антенны — на частотах приемника появляется резонанс, который и усиливает сигнал, значительно улучшая его.

На заметку! Необходимо строгое соблюдение соответствия высоты антенны и длины волны — это не только улучшает сигнал, но позволяет точно рассчитать частоту приема.

Конструкция FM антенны для приемника

Для бытового радиовещания используют ФМ антенну с частотами от 88 до 108 Мегагерц на ультракоротких трехметровых волнах.

Комнатная антенна обычно представляет из себя:

поворотные устройства или аппаратурные антенны;
конструкции с бегущими волнами;
линейные устройства.

Конструктивно антенны классифицируют по диаграмме направленности — остронаправленные (узконаправленные) или круговые. Полоса пропускания радиосигнала предусматривает широкополосные или узкополосные устройства.

Стоит учесть, что конструкция приемника может влиять на качество сигнала из-за определенных трудностей настройки того или иного вида.

Как сделать ФМ антенну собственноручно

Наиболее простая комнатная антенна для музыкального центра своими руками:

Подготавливают инструменты — медные провода, нож, плоскогубцы.
Отрезают часть проволоки, подходящую для наматывания на основной элемент.
Убирают изоляцию по всей длине.
Проволоку наматывают на антенну или пластиковое основание и ловят сигнал.
Укрепляют конструкцию в том месте, где срабатывает корректный прием.

На заметку! Данный способ подходит для домашних музыкальных центров и не гарантирует высокое качество сигнала.

Варианты самодельных конструкций

Как сделать антенну для радио своими руками? Существует достаточно много разных способов, которые доступны для самостоятельной реализации в домашних условиях. Например, часто встречаются такие варианты:

Процесс изготовления самодельной антенны

На первоначальном этапе нужно выбрать необходимые инструменты, без которых сделать прибор для fm радио своими силами не получится.

Из большого количества способов можно выбрать максимально подходящий с учетом собственных сил и возможностей.

На заметку! Изготовление антенны в данном случае рассмотрено на одном из примеров создания качественных антенн, которые можно использовать для любых бытовых радиоприемников.

Припой, канифоль, паяльник и паяльный флюс;/.
Тонкая медная проволока.
Диэлектрическое основание — например, листы ДСП, доски и тому подобное.
Крепежные детали — гайки, винты, шурупы и другие.
Подходящий коаксиальный кабель и штекер.
Стандартный слесарный инструмент.
Водостойкая краска или лак.

Как сделать антенну на основе готового чертежа:

Проволоке придают необходимую форму.
Приматывают к диэлектрическому основанию.
Припаивают кабель.
Оплётку подключают к одному концу устройства, центральную жилу — к другому.
Таким же способом соединяют кабель и дипольную антенну.
Прибор окрашивают.
После высыхания краски антенну устанавливают на трубу, кабель — на опору.
Другой конец кабеля соединяют со штекером и поднимают антенну максимально высоко.

В описании изложен способ для изготовления рамочной антенны. Другие приборы отличаются по форме и материалам изготовления, но принцип работы у всех одинаковый.

Подключение антенны

Радиоантенны FM незаменимы в быту, и они актуальны не только для профессионалов. При правильном создании прибора и его корректной настройке можно слушать радио в очень хорошем качестве, усилив сигнал на ультракоротких волнах.

Решение проблемы плохого сигнала возможно даже с помощью простейшего устройства, но если необходим действительно качественный сигнал — нужно делать более сложную конструкцию и корректно ее настраивать.

Как вам статья?

Советуем к прочтению: Все о биполярных транзисторах: принцип действия и режим их работы, схемы включения и способы проверки на работоспособность

Бакалавр "210400 Радиотехника" – ТУСУР. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.

Антенны — преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование — электромагнитную волну, в ВЧ колебания.

Диаграмма направленности — графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.

Антенны

Симметричный вибратор

В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.

Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.

Диаграмма направленности симметричного вибратора

В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.

В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:

Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.

Несимметричный вибратор

Диаграмма направленности следующая:

Наклонная V-образная

Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V

Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.

Антенна бегущей волны

Также имеет название — антенна наклонный луч.

Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны. Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.

Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:

Антенна волновой канал

Здесь: 1 — фидер, 2 — рефлектор, 3 — директоры, 4 — активный вибратор.

Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор — активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.

За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:

Рамочная антенна

Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.

Как разновидность — рамочная антенна с рефлектором:

Логопериодическая антенна

Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.

Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 — это довольно высокий коэффициент.
Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
Диаграмма направленности следующая:

Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.

Поляризация

Поляризация — это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.
Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.

Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный — горизонтальную.

Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.

При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.

Все эти факторы факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.

Данная статья обрисовывает лишь небольшую часть антенн и не претендует на замену учебнику антенно-фидерных устройств.

Читайте также: