Спиральная антенна своими руками

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 04.10.2024

суббота, 10 апреля 2021 г.

Cпиральная антенна на 433MHz. Часть I (конструктив)

Спиральная антенна – диапазонная антенна бегущей волны с вращающейся поляризацией, основным элементом которой является проводник в форме винтовой линии или спирали. По занимаемому пространству подразделяются на пространственные и плоские. Спиральные антенны возбуждаются с помощью коаксиального кабеля, внутренняя жила которого соединена со спиралью, а внешняя (экран) соединена с рефлектором. Рефлектор* (отражатель) служит для создания одностороннего излучения (величина обратного ослабления) и увеличения коэффициента усиления антенны и может быть выполнен в виде диска, квадрата, шестиугольника, уголка, конуса, etc.

* Для снижения ветровой нагрузки на рефлектор используется его перфорирование или используется сетка в качестве основы.

Форма диаграммы направленности (ДН) сильно зависит от электрической длины периметра витка с/λ и электрической длины шага спирали (витка) S/λ. Следует отметить, что по типу намотки спиральные антенны подразделяются на регулярные и нерегулярные, а по числу заходов и способу намотки на одно- и многозаходовые с односторонней и многосторонней намоткой.

Цимес в использовании антенн с круговой (эллиптической) поляризацией для работы через ИСЗ, на отражении от следов ионизированных газов при прохождении метеоров атмосферы, в том числе EME (радиосвязь Земля-Луна-Земля), всегда есть. Цимес этот в повороте плоскости поляризации при прохождении волны через атмосферу или при переотражении. А все потому, что линейно-поляризованная волна проходя через неоднородности в атмосфере (частички пыли, молекулы воды) преломляется и вращается непредсказуемым образом во времени (движение воздушных масс никто не отменял) и становится эллиптически поляризованной (левосторонней LHCP или правосторонней RHCP), где одна из компонент (вертикальная или горизонтальная) превалирует.

Основное отличие от антенн с искусственной эллиптической поляризацией (Cross-YAGI) заключается в том, что в спиральных поле формируется по всей длине спирали в каждой точке и окончательно сформировано после третьего витка, а в Cross-YAGI сложением двух ДН ортогональных плоскостей. Отсюда следуют немаловажные выводы:

Все пришедшие сигналы в спиральных антеннах суммируются по вектору, т.е. антенна просуммирует все составляющие компоненты многолучевого сигнала с какой бы фазовой задержкой они не пришли на антенну. Что просто недоступно антеннам с линейной поляризацией и частично Cross-YAGI.
Величина задержки и скорость изменения сигнала меньше, соответственно, меньше и скорость изменения уровня сигнала. Что благоприятно сказывается на работе детектора приемника.
Нечувствительность к отраженным сигналам (как у всех антенн с круговой поляризацией).
Спиральная антенна менее трех витков неэффективна для работы с круговой поляризацией (см. интерактивную визализацию ниже).
Мешающие сигналы с линейной поляризацией будут ослаблены на -3 dB, т.е. в два раза. Аналогично и вы будете меньше мешать сигналам с линейной поляризацией. Другими словами +3 dB по энергетике сигнала в отличие от антенн с линейной поляризацией при работе с круговой поляризацией (см. таблицу). В то же время, ослабление между антеннами с вертикальной и горизонтальной поляризацией достигает -30 dB и их приходится или переключать или вращать в плоскости поляризации для достижения наилучшего по уровню сигнала.

Если диаметр спирали D 0.45λ, то в антенне преобладает волна T1, а максимум излучения направлен вдоль оси спирали (нужный нам режим осевого излучения). Возникающая при этом в спирали волна низшего типа T0, а также волны высших типов Tn при n>1, быстро затухают по длине спирали (их вклад в ДН невелик).
Если диаметр спирали D>0.45λ в собственной волне Tn определяющей является вторая азимутальная пространственная гармоника (волна T2), и ДН приобретает коническую (воронкообразную) форму, где угол раскрыва зависит от относительного диаметра спирали.
Полоса работы спиральной цилиндрической антенны не менее 30% от центральной частоты из коробки
Электрическая длина витка (периметр) сравнима с длиной волны, при которой фазы токов на соседних витках меняются на Pi.
Высокий импеданс 120-240 Ohm (типичное значение импеданса при диаметре проводника спирали в 2% длины волны равно 140 Ом).
Сравнительно небольшой прирост усиления Gа на один виток ~ 1.15 dB и уменьшается с каждым новым витком. Например, для 7 витков Gа = 13.1 dB, а для 14 витков Ga = 16.1. То есть, добавление еще 7 витков дает прирост всего в 3 dB (порядка полубалла по S-шкале), но при этом более чем вдвое растет длина бума и расход металла для спирали. Для сравнения в YAGI этот прирост +2.15 dB на элемент и аналогично уменьшается на каждом последующем.

Именно последний фактор является определяющим в ответе на вопрос "Сколько же витков в спиральной антенне дадут максимальную эффективность?". При ограниченности места на участке или крыше, а также для снижения массогабаритных показателей более 7-8 витков на один бум размещать не имеет смысла. Очень уж мизерный прирост усиления при перерасходе материала и занимаемого места. Больший прирост по усилению при сохранении конструктивной прочности дадут стеки из нескольких небольших антенн.

Несмотря на то, что спиральная антенна исследуется более пяти десятилетий, для наиболее часто используемых конструкций она плохо согласуется со стандартным 50-ти омным импедансом фидерных линий передачи. Существует несколько вариантов трансформации импеданса:

Экспоненциальный (и линейный) трансформатор, по длине которого волновое сопротивление изменяется по экспоненциальному закону (см. рисунок), что достигается изменением расстояния между проводниками или их диаметра и соответственно изменением погонной индуктивности и емкости трансформатора по всей его длине. По сути, это полосковая линия переменной ширины. Физический смысл согласования экспоненциальным трансформатором заключается в том, что по мере увеличения импеданса амплитуда напряжения возрастает, а амплитуда тока уменьшается плавно, так, что режим бегущих волн практически сохраняется.
Полосковая четвертьволновая линия.
Коаксиальная четвертьволновая трансформирующая линия импедансом √(140x50)= 83 Ohm.
Трансформирующая линия из проводника спирали прижатием четверти витка к рефлектору.

Вариант (3) наиболее стабилен ввиду контролируемых параметров, не зависящих от окружающих факторов как близость рефлектора, спирали, климатические условия. Таких готовых коаксиалов не существует, но его можно сделать самому из круглого профиля, квадратного профиля или даже из другой коаксиальной линии.

Где: D – внутренний диаметр/ширина наружной трубки/стенки, mm; d – наружный диаметр центральной жилы, mm; 1/√ε – фактор замедления волны в диэлектрике (для воздуха равен 1.0001).

Отсюда, задавшись требуемым импедансом трансформатора в Z = 83 Ohm и внутренним диаметром D имеющейся трубки или квадрата, можно вывести требуемый наружный диаметр d центральной жилы нашего псевдокоаксиала (см. формулы 3 и 4).

Готовые расчетные соотношения диаметров кондиционерной трубки и провода для изготовления коаксиальной линии длиной λ/4/√ε импедансом близким к 83 Ohm, трансформирующей импеданс спирали со 140 на 50 Ohm сведены в таблицу:

К примеру, для частоты 297 MHz длина коаксиального трансформатора составит 250.25 mm. Как правило, вам придется иметь дело с ходовыми наружными диаметрами кондиционерных трубок 9.52, 7.94, 6.35 с толщиной стенки 0.8 mm или 6, 8 mm с толщиной стенки 1 mm.

Для монтажа SMA розетки в торце центрального проводника с одной стороны высверливается отверстие на длину выступающей части центрального контакта:

Центрирование центрального проводника внутри трубки выполняют импровизированные шайбы из фторопластовых втулок (из какого-то советского коннектора):

Обратите внимание, что металл медной трубки очень мягок и для исключения повреждения коаксиальной линии в процессе эксплуатации монтировать ее следует не перпендикулярно рефлектору по аналогии с SAT-MP-320 (ее попросту может согнуть под весом фидера и замкнуть внутренний проводник на экран), а параллельно прямо на плоскости рефлектора двумя скобами. Или попросту припаять трубку к рефлектору, если его материал позволяет пайку. Впрочем, можно предусмотреть дополнительный наружный пластиковый кейс, который будет выполнять роль ребра жесткости.

Для повышения технологичности, снижения габаритов и материалоемкости, такой трансформатор можно реализовать из готового коаксиального кабеля. Для повышения импеданса несимметричной линии необходимо поднять соотношение диаметров D/d (см. формулу 1). Сделать это можно заменив центральную жилу на более тонкую или увеличить диаметр изолятора, например термоусадив ПЭТ трубку на изолятор 75-ти омного кабеля с предварительно снятым экраном. Данному коаксиальному трансформатору и методики измерения его импеданса на векторном антенном анализаторе NanoVNA посвящено следующее видео:

Довольно показателен весь техпроцесс протяжки сквозь трубу центрального проводника несимметричной линии с воздушным изолятором и диэлектрическими центрирующими вставками, соединение секций.

Исходными данными для расчета спиральной антенны являются – средняя рабочая частота Fср = 433 MHz и количество витков. Мы задались n = 7. Последовательность расчета следующая:

1. Шаг витка спирали S = 0.24λ = 0.24 * 300 / Fср = 0.166 m (угол подъема 14 °).

2. Внешний диаметр витка спирали для режима осевого излучения D = 0.31λ = 0.214 m.

3. Длина витка L = √ (S2 + (Pi * D)^2 ) = √ (0.1662 + (Pi * 0.214)^2 ) = 0.692 m.

Для моделирования поведения спиральной антенны методом моментов в MMANA можно использовать модель из [2], а для быстрых расчетов номограмму 32 из работы [3]. Номограмма связывает размеры спиральной антенны и число витков с ее электрическими параметрами – входным сопротивлением, КНД и шириной диаграммы направленности.

Использованы следующие материалы

Для минимизации веса спирали, обеспечения нечувствительности к деформациям при меньшей стоимости за погонный метр и отсутствия сложностей с пайкой мы решили использовать металл-полимерный оцинкованный тросик. В качестве рефлектора для снижения массо-габаритных показателей использован поднос из нержавеющей стали диаметром 46 cm и ребром жесткости по контуру.

При небольшом сужении полосы для трансформации подходит вариант (4) с постепенным прижатием первого витка спирали к рефлектору и последующей его фиксацией. Исследование подобного согласования проведено в работе [4, 5].

В качестве проводника спирали - стальной (металл-полимерный) трос диаметром 4 mm
Распорки - стеклополимерные стержни диаметром 3.8 mm
Крепеж спирали к распоркам - офисные скрепки закруткой вокруг проводника спирали (ввиду электрического контакта эквивалентно утолщению проводника спирали)
Фиксация распорок в буме - акриловый клей "Круче гвоздей".
В качестве рефлектора для снижения массо-габаритных показателей планируется использовать сетку для пиццы, панель алюмопласта или поднос из нержавеющей стали минимальным диаметром 0.62λ = 42 cm
Согласование высокоомного сопротивления спирали с 50-омным трактом будет реализовано прижатием последнего витка спирали к рефлектору. Аналогично "Cross-YAGI & Helix и Zastone M7 на SATCOM. Резюмируя. "
Вес конструкции без рефлектора 1.29 kg

В качестве рефлектора можно использовать б/у спутниковую тарелку (зеркало) с ближайшей металлоприемки минимальным диаметром 0.62 λ ~ 430 mm, поднос под пиццу или оцинкованную/нержавеющую сетку 0.5. 1.5 mm с размером ячеек до 12 mm (потери просачивания -0.46 dB) от птичника/кролятника (пластина тоже подойдет, хоть и с большей парусностью) с фиксирующим каркасом из мебельного уголкового джокера 300 mm.

Комментариев нет:

В комментариях уважайте собеседника, внимательно читайте посты и не додумывайте. Выход новых версий ПО, внешняя ссылка, переставшая работать с течением времени и т.п. не является основанием для претензий. Желающие спокойно подискутировать и высказаться — Welcome. Желающие спонсировать блог — Donate. Нарушение этих простых правил ведет к бану и удалению комментариев без предупреждения.

Пришла тут в голову мысля. И я ее стал думать. :)
Идеи такие. Прошу не пинать - больно. :).

1. Берем пружину достаточной длины и диаметра. Покрываем ее никелем. Засовываем эту пружину внутрь телескопической удочки. Один конец прикрепляем к вершине, другой ко дну.
Когда удочку раздвигаем, то пружина растягивается. Получается спиральная антенна, коорую тьюнером настраиваем на нужный диапазон. Когда удочка сдожена, то пружина сжата и не портится. К тому же пружина не дает удочке самопроизвольно выдвинуться при перевозке.

2. Берем катайскую рулетку, выбрасываем все, кроме самой ленты. Лента имеет вид часовой пружины. Прикрепляем середину к удочке, а саму пружину кладем под основание на бочек (чтобы сверху было видно скрученную спираль). Когда удочкувытягиваем, то спираль выдергивается из центра витками вокруг удочки. Через метр примерно витки крепим изолентой к удочке, чтобы не раскручивались. Можно применить игрушечную спираль из металла.

4. А на самом деле никаких навивок делать не надо! Все эти навивки есть полная лажа, поскольку все равно это чудо работатет точно также, как и обычный прямой провод с длинной с удочку. :) Никуда не денешься - действующая высота, однако.
Поэтому, если хоцца хорошую антенну, то надо пустить внутри прямую вертикальную проволочину, сверху сделать 2. 4 проволочных емкостных нагрузки, используя из как часть оттяжек. И внизу тоже сделать емкостные нагрузки, как-будто приподнятые противовесы. К стати, длиной нижних противовесов антенна настраивается в резонанс. Питать можно в нижний конец вертикального провода. Только нужен хороший симметрирующий транс, чтобы ни в коем случае не затекало на кабель, а то диаграмма направленности рухнет. Противовесы надо распологать строго симметрично, чтобы их излучение взаимно компенсировалось.
Если хочется двухдиапазонный вариант, то можно снаружи удочки прилепить изолентой вторую вертикальную проволочину, меньшей длины, которая будет исполнять роль слим-вибратора другого бэнда.
Внимание! При перепечатке или использовании идей в любом другом виде ссылка на меня ОБЯЗАТЕЛЬНА!

Спиральная антенна предназначена дня установки на радиостанции личного пользования в носимом варианте. По сравнению со штыревой телескопической антенной спиральная имеет меньшие размеры по длине, что создает неоспоримые преимущества при использовании радиостанции в условиях города. Несмотря на малые габариты, эта антенна имеет большую гибкость без нарушения электрического контакта, чего не скажешь о телескопической антенне, которая нередко теряет межколенный контакт и требует более бережного отношения. Но, самое главное, - эффективность антенны типа "спираль" по напряженности поля в 1,2 - 1,5 раза превосходит штыревую антенну с типовым размером 525 мм.

Результаты экспериментальных данных при двух вариантах связи - со штыревой и спиральной антеннами - показывают явные преимущества последней. Так, при выходной мощности передатчика 0,2 Вт и чувствительности приемника 1,5 - 2,0 мкВ дальность уверенной связи между однотипными радиостанциями в условиях города со спиральными антеннами составила 1,4 км, что на 0,5 км больше, чем со штыревыми.

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

Сушко С. Опубликована: 2005 г. 0 0

Вознаградить Я собрал 0 0

Оценить статью

Средний балл статьи: 0 Проголосовало: 0 чел.

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

Для добавления Вашей сборки необходима регистрация

Очень плохо, когда перепечатывают статью , а фамилия автора теряется. Обновите ее, уж так и быть.(Сушко С.А. UA9LBG)

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.

Для малогабаритных переносных УКВ радиостанций применение коротких спиральных антенн вполне оправдано в связи с их прочностью и удобством использования радиостанций в режиме дежурного приема. Однако их невысокая эффективность заставляет искать пути ее увеличения. Статьи [1, 2] натолкнули меня на идею исследовать свойства укороченных спиральных антенн с электрической длиной полволны.

Было изготовлено и испытано около двадцати таких антенн на частоты 145. 170 МГц. Антенны испытывались с радиостанциями ICOM Т22Е и YAESU FT-11, измерения уровней велись селективным микровольтметром SMV-8 со штыревой антенной, удаленной на 30 метров. Относительное измерение уровней проверялось при проведении радиосвязей на расстоянии от 10 до 60 км. Как и ожидалось, наибольшей эффективностью и широкополоснос-тью обладают антенны с геометрической длиной, близкой к 0,12 длины волны.

Такие антенны практически не уступают полноразмерным четвертьволновым штырям по усилению, проигрывая только по полосе пропускания, и превосходят по эффективнос-ти на 4. 7 дБ штатные антенны радиостанций FT-11 и Т22Е.

Уменьшение геометрической длины полуволновой спиральной антенны в диапазоне 145. 155 МГц до 0,06 длины волны приводит к снижению усиления до значений, характерных для "фирменных" антенн, однако их полоса пропускания оказывается более широкой, и в случае размещения радиостанции с такой антенной на поясе оператора или в кармане одежды ее эффективностьолса-зывается выше на 3. 9 дБ - в зависимости от места размещения.

Как известно, применение противовеса на переносной радиостанции позволяет заметно повысить излучаемую мощность, однако в двухметровом диапазоне подобный противовес имеет длину около полуметрами не слишком удобен для "карманной" радиостанции (надо сказать, что использование отрезка гибкого монтажного провода, в отличие от жесткого противовеса, не дает положительного эффекта из-за сильного влияния тела оператора и посторонних предметов).

Поэтому естественным было желание исследовать свойства укороченных противовесов, выполненных аналогично спиральным антеннам. Четвертьволновые резонансные противовесы геометрической длины 13 см на частотах 144. 146 МГц практической прибавки мощности не давали, и только при длине 20 см прибавка излучаемой мощности составляла 2 дБ. Если же электрическая длина противовеса составляла полволны, то при геометрической длине 13 см на частоте резонанса мощность излучения радиостанции возрастала на 5. 6 дБ. Практические испытания показали возрастание сигнала на приемной стороне почти на 1,5. 2 балла при переходе со штатной антенны FA-82B радиостанции 1С Т22Е на полуволновую спиральную длиной 13 см с полуволновым противовесом той же длины, и примерно на полтора балла в случае радиостанции FT-11. Таким образом, применение полуволновой спиральной антенны с противовесом позволяет не только улучшить качество связи на предельных дистанциях, но и увеличить дальность связи по меньшей мере вдвое.

Недостатком таких антенн, как, впрочем, и всех сильно укороченных, является критичность в настройке. Конструкции антенны и противовеса одинаковы и представляют собой полиэтиленовый стержень диаметром 7 мм (внутренняя изоляция коаксиального кабеля), на котором выполнена намотка 1 м провода ПЭВ-2-0,4. У антенны начало намотки запитывается в разъем, у противовеса - на клеммный лепесток соответствующего размера, который используется для установки под антенный разъем (впрочем, конструкция крепления противовеса может быть иной). Далее выполняются 3 витка с шагом 0,5 мм, затем ведется намотка с шагом 4. 10 мм (зависит от выбранной длины антенны), и на конце антенны (или соответственно противовеса) плотно наматывают 15. 20 витков. Настройка антенны ведется изменением шага витков первой и последней (третьей) намотки. Наиболее критичная для настройки антенны часть спирали - первые витки. Противовес настраивается аналогично.

Индикатором настройки служит селективный микровольтметр, но можно применить S-метр радиостанции или резонансный индикатор поля. Однако их желательно отградуировать, чтобы не получить прирост усиления 15. 20 дБ. Это поражает воображение, но, к сожалению, абсолютно не соответствует истине.

После первоначальной настройки антенна и противовес помещаются в защитные чехлы или обматываются изолентой. Необходимо учесть, что при этом резонансная частота антенны (противовеса) понижается, и настройку надо повторять, снимая и вновь надевая чехол, пока антенна, заключенная в чехол, не будет настроена на необходимую частоту. В качестве оболочки антенны была использована термоусаживаюшаяся трубка, что придает антенне законченный вид и высокую прочность. КСВ антенны, измеренный панорамным измерителем КСВ Р4-11 на частоте резонанса, не превышал 1,6.