Спиральная антенна — Радиолюбители Донбасса US9IGD
Схематическое изображение антенны:
Антенна подключается 50-омным коаксиальным кабелем. ВНИМАНИЕ! Антенна имеет круговую поляризацию, но может работать как с горизонтально, так и с вертикально-поляризованной волной. При этом усиление антенны будет на 3дБ меньше расчетного.
Необходимо отметить следующие плюсы спиральной антенны. Во-первых это, конечно, очень большая устойчивость к «кривым рукам», т.е. даже неаккуратно собранная антенна будет неплохо работать. Во-вторых это широкополосность, которая сочетается с неплохим коэффициентом усиления даже при малом числе витков спирали.
Полагаю, что спиральная антенна — лучший вариант самодельной направленной антенны для Wi-Fi, 3G и 4G!
При организации Wi-Fi сети точка-точка с применением таких антенн важно чтобы направления вращения спиралей относительно вектора перемещения электромагнитного поля совпадали, иначе такая система работать не будет.
Конструкция антенны сложнее, например баночной, но эта сложность окупается стабильностью результатов.
Вот файлы MMANA для спиральной антенны из 4, 12 и 15 витков.
Конструкция антенны для диапазона 2,4 ГГц для Wi Fi сети следующая (усиление до 11dBi):
Вырезаем круг из оргстекла диаметром 80 мм и толщиной 3 мм. Это будет основа рефлектора. В центре сверлим 4 мм отверстие для держателя антенны. Из центра проводим круг диаметром 42 мм, вписываем в этот круг равносторонний треугольник и сверлим отверстия 3 мм в вершинах этого треугольника для держателей спирали. Чуть в стороне от одного из вершин треугольника, на этой же окружности, сверлим отверстия для крепления коннектора. Далее рефлектор надо покрыть медной фольгой. Выбор в качестве материала оргстекла некритичен, можно, даже с большим успехом, применить фольгированный стеклотекстолит.
Присоединяем к рефлектору крепежный болт и N-коннектор. (вид сзади рефлектора)
Вырезаем из тонкого 1,5-2 мм оргстекла верхний крепежный элемент для держателей спирали как на картинке. Важно, чтобы отверстия этого элемента совпадали с отверстиями для держателей спирали на рефлекторе.
Далее из медной проволоки диаметром 2 — 3 мм изготавливаем спираль. Намотаем 6 витков на любую трубку диаметром 40 мм и растянем ее потом на длину 177 мм.
Из оргстекла толщиной 5 мм вырезаем держатели спирали шириной также 5 мм и длиной 180 мм. В торцах держателей сверлим отверстия и нарезаем метчиком резьбу для крепежных винтов 2,5 мм.
Из медной фольги толщиной 0,5 мм вырезаем прямоугольный треугольник со сторонами 71 и 17 мм. Поскольку входное сопротивление антенны составляет около 140 Ом, его надо согласовать с коаксиальным кабелем 50 Ом. Этот треугольник и будет согласующей линией. Автор этого плавного перехода Jason Hecker. Возможны и другие варианты согласования, например четвертьволновым отрезком длинной линии.
Приложив к спирали шаблоны держателей, например из бумаги, отмечаем с их помощью места отверстий, через которые пропускается спираль. При этом главное не ошибиться. Сверлим держатели под спираль и получаем что то типа этого…
Собираем готовую антенну. Прикручиваем держатели, пропускаем через них спираль, припаиваем к ней согласующую линию острым концом к спирали, широким к коннектору. Ставим верхний крепежный элемент. Готовая конструкция выглядит так:
Спираль подключается к центральному выводу коннектора, это место можно сделать вот таким образом:
Пожертвовав немного усилением антенны, можно упростить конструкцию, применив в качестве рефлектора CD или DVD диск, провод толщиной 1 мм и спираль из четырех витков. В остальном конструкция остается прежней. Такая антенна имеет усиление около 7 dBi.
Есть еще один вариант антенны. Спираль наматывается на пластмассовую трубку. В качестве рефлектора используется металлический диск. Но все же использование в качестве несущей конструкции пластиковой трубы не самый лучший выбор. Мы же делаем антенну для СВЧ диапазона. Если спираль мотается прямо на трубке, и тем более, если ее покрыть сверху компаундом, то ее резонансная частота уйдет вниз. Правда обычно спиральная антенна прощает такие «вольности» в силу своей широкополосности, но на частотах выше 2ГГц лучшим вариантом будет описанный здесь, а не изображенный на рисунке ниже.
Хотя, как говориться — возможны варианты. В этом блоге (по ссылке ниже) можно посмотреть неплохой вариант практической конструкции спиральной антенны для Wi-Fi сети. Как видите вариант исполнения может быть самый разнообразный из любых подручных материалов. Надо понимать, что размеры, полученные с помощью нашего онлайн калькулятора не подходят для конструкции на трубке.
Самое главное в спиральной антенне то, что вам не надо «ловить миллиметры» при изготовлении. Это одна из немногих антенн, сочетающих в себе относительную широкополосность с большим коэффициентом усиления. Лучше — только параболическая.
Самодельная спиральная Wi Fi Антенна
Широкополосная спиральная антенна
Спиральные антенны EW8AU
Спиральная Антенна ЭТО !
Дипломная работа: Спиральные антенны
В.БАШКАТОВ (USOIZ), Украина, Донецкая обл., г.Горловка
Записки советского радиолюбителя: Спиральные антенны
Radio Universe СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА
Самодельная спиральная антенна для эфирного цифрового телевидения
11-2. Спиральная антенна | RadioUniverse
Спиральная антенна отличается от других антенн, обладающих направленным излучением, в первую очередь тем, что ее поле излучения имеет круговую поляризацию. В случае применения такой антенны необходимо, чтобы как передающая, так и приемная антенны имели круговую поляризацию излучения.
Круговая поляризация имеет место, когда проводник наматывается в направлении излучения в виде спирали, причем необходимо, чтобы общая длина проводника в одном витке равнялась 1λ, что соответствует при учете коэффициента укорочения диаметру витка D, равному приблизительно 0,31λ. Предполагается, что для получения круговой поляризации используется по меньшей мере три витка, так как поляризация излучения будет тем ближе к круговой, чем больше витков имеет антенна. Простая спиральная антенна излучает в обе стороны в направлении своей оси. Для получения одностороннего излучения и увеличения коэффициента усиления антенны используется дисковый рефлектор.
Схематическое изображение спиральной антенны с необходимыми размерами приведено на рис. 11-3.
Спираль изображена на этом рисунке упрощенно. Диаметр спирали D, равный 0,31λ, может быть рассчитан по отношению к частоте по формуле $$D[см]=\frac{9300}{f[Мгц]}.$$
Зная диаметр витка, можно определить длину проводника, образующего виток L: $$L=D\cdot{3,14}.$$
К важным конструктивным размерам этой антенны относится также угол подъема спирали, который может меняться в пределах от 6 до 24°, однако на практике наиболее часто угол подъема спирали выбирают равным 14°, так как при этом антенна имеет оптимальные электрические параметры. При угле подъема спирали 14° расстояние между витками S равно 0,24. Это расстояние относительно частоты можно рассчитать по формуле $$D[см]=\frac{7200}{f[Мгц]}.$$
Диаметр дискового рефлектора выбирается небольшим, но всегда больше, чем 0,5λ, так как при этом входное сопротивление спиральной антенны при подключении рефлектора меняется незначительно. При больших диаметрах рефлектора увеличивается величина обратного ослабления. Наиболее часто диаметр рефлектора выбирают равным удвоенному значению диаметра витка спиральной антенны, т. е. 0,62λ. Рефлекторы могут быть как дисковыми, так и квадратными. В диапазоне дециметровых волн рефлекторы можно изготовлять из жести, а в диапазоне УКВ рефлекторы изготовляются обычно таким образом, как показано на рис. 11-4 или 11-7. Расстояние между рефлектором и началом спирали целесообразно выбрать равным 0,13λ. Относительно частоты это расстояние может быть определено по формуле $$A[см]=\frac{3900}{f[Мгц]}.$$
Входное сопротивление спиральной антенны почти не имеет реактивных составляющих и равно 120—150 ом в зависимости от размеров спирали. Питание антенны несимметричное с помощью коаксиального кабеля.
Спиральная антенна обладает широкой полосой пропускания. При расстоянии между витками S, равном 0,24λ, при допущении максимального КСВ в линии питания (1,35) соотношение частот, в пределах которых антенна работает удовлетворительно, равно 1 : 1,6.
Коэффициент усиления спиральной антенны зависит от числа витков n, шага намотки S и длины витка спирали L и увеличивается приблизительно пропорционально с увеличением числа витков. При углах подъема спирали, равных 12—15°, и при наличии по крайней мере трех витков в спиральной антенне ее коэффициент усиления может быть рассчитан по формуле $$G[дб]=10\log{L^2}{Sn}\cdot{15}$$
При обычных на практике размерах шага намотки спирали S = 0,24λ и диаметра витка D = 0,31λ коэффициенты усиления (дб) спиральной антенны, рассчитанные по этой формуле, при различном числе витков принимают следующие значения: 3 витка — 10,1 дб; 4 — 11,3; 5—12,3; 6—13,1; 7—13,8; 8 — 14,4; 9 — 14,9; 10—15,3; 11—15,7 и 12 витков — 16,1 дб.
Если электромагнитные волны с круговой поляризацией принимаются на антенну, обладающую линейной поляризацией, то в этом случае теряется половина энергии, переносимой электромагнитными волнами, что соответствует потерям в 3 дб. Однако с помощью спиральных антенн можно излучать или принимать линейно поляризованные электромагнитные волны. Для этого используют группу из двух спиральных антенн с противоположной намоткой (т. е. если одна антенна имеет правостороннюю намотку, то вторая антенна имеет левостороннюю намотку). При этом если эти две антенны располагаются рядом друг с другом в горизонтальной плоскости, то поляризация поля горизонтальная, а если они располагаются одна над другой в вертикальной плоскости, то поляризация поля вертикальная. В случае, если обе спиральные антенны имеют одну и ту же намотку, то поляризация поля остается круговой, но параллельное соединение двух спиральных антенн дает очень удобное с точки зрения согласования антенны с линией передачи входное сопротивление (65—70 ом). В этом случае становится возможным без включения дополнительных трансформирующих устройств непосредственно питать антенну при помощи обычного коаксиального кабеля. По сравнению с антенной «волновой канал», имеющей равное усиление со спиральной антенной, последняя занимает несколько меньше места и, кроме того, обладает полосой пропускания, значительно превосходящей полосу пропускания антенны «волновой канал».
Согласование входного сопротивления спиральной антенны с волновым сопротивлением линии передачи удобнее всего осуществлять с помощью коаксиального четвертьволнового трансформатора, сопротивление которого рассчитывается по известной формуле $$Z_{тр}=\sqrt{Z_A\cdot{Z}}.$$
Если положить входное сопротивление спиральной антенны ZA равным 125 ом и потребовать согласования этого сопротивления с коаксиальным кабелем, имеющим волновое сопротивление 60 ом, то волновое сопротивление такого концентрического четвертьволнового трансформатора должно быть равно: $$Z_{тр}=\sqrt{125\cdot{60}}=\sqrt{7500}=86,6 ом.$$
Из графика рис. 1-25 видно, что концентрическая линия имеет волновое сопротивление 87 ом, когда отношение внешнего диаметра внутреннего проводника к внутреннему диаметру наружного проводника равно 1 : 4,4.
На рис. 11-5 показана практическая конструкция оформления четвертьволнового трансформатора со всеми необходимыми размерами.
Общая длина согласующего устройства с учетом коэффициента укорочения равна 0,24λ.
На рис. 11-6 показана спиральная антенна, рассчитанная на диапазон 2 м. Размеры спиральной антенны для диапазона 70 см обозначены в скобках. В данном случае диаметр рефлектора был выбран равным 1λ. Разумеется, диаметр рефлектора может быть уменьшен до 0,62λ без изменения всех остальных размеров антенны.
Для изготовления спирали особенно подходит 10-мм дюралевый прут, обычно применяемый для громоотводов, так как его очень легко сгибать. Спираль укрепляется на деревянных планках, а вся антенна в точке ее центра тяжести крепится к деревянной несущей мачте.
На рис. 11-7 изображена спиральная антенна, выполненная радиолюбителем DL6MH.
Спиральную антенну, изобретенную в конце сороковых Джоном Краусом (John Kraus, W8JK), можно назвать самой простой реализацией антенны, которую можно представить, в особенности для частот в диапазоне 2-5 ГГц. Эта конструкция является очень простой, практичной и при этом надежной. Эта статья описывает, как самостоятельно сделать спиральную антенну для частот в районе 2.4 ГГц которая может быть использована, например, для высокоскоростных радиочастотных (S5-PSK, 1.288 Мбит/сек), 2.4 ГГц беспроводных сетей и любительских спутниковых (AO40). Развитие оборудования безпроводных сетей позволяет легко получить высокоскоростной радиодоступ с использованием стандарта IEEE 802.11b (также известного как Wi-Fi).
Краткий обзор теории
Спиральная антенна может быть описана как пружина с количеством витков N с отражателем. Окружность (C) витка составляет приблизительно длину волны (l), а дистанция (d) между витками составляет приблизительно 0.25C. Размер отражателя (R) составляет C или l и может иметь форму круга или квадрата. Конструкция излучающего элемента вызывает круговую поляризацию (КП), которая может быть как право-, так и левосторонней (П и Л соответственно), в зависимости от того, как намотана спираль. Для того, чтобы передать максимум энергии, обе стороны соединения должны иметь одинаковую направленность поляризации, кроме случаев, когда используется пассивный отражатель радиоволн на пути передачи сигнала.
Усиление (G) антенны относительно изотропии (dBi) может быть расчитана по следующей формуле:
G = 11.8 + 10 * log {(C/l)^2 * N * d} dBi (1)
В соответствии с выводами Др. Даррела Эмерсона (Dr. Darrel Emerson, AA7FV) из Национальной Радиоастрономической Обсерватории, результат вычисления по формуле [1], также известной как формула Крауса (Kraus formula), 4-5 dB слишком оптимистичен. Др. Рей Кросс (Dr. Ray Cross, WK0O) проанализировал результаты исследования Эмерсона в программе анализа антенн ASAP.
Характеристика полного сопротивления (импенданса) (Z) полученной передающей линии эмпирически должна описываться формулой
Z = 140 * (C/l) Ohm (2)
Реализация для частоты 2.43 ГГц (aka S-band, ISM band, 13 cm amateur band)
l = (0.3/2.43) = 0.1234567 m (12.34 cm) (3)
Диаметр витка (D) = (l/pi) = 39.3 mm (4)
Стандартная канализационная пластиковая труба с внешним диаметром 40 мм является для нас превосходным решением и легкодоступна в магазинах «Сделай сам» или у любого сантехника 🙂 Спираль может быть намотана из стандартного медного провода, который применяется в домашнем хозяйстве для цепей 220 В переменного тока. Этот провод имеет цветную поливинилхлоридную изоляцию и медный сердечник диаметром 1.5 мм. Обмотка проводом трубы даст результирующий диаметр D = 42 мм благодаря толщине изоляции.
D = 42 mm, C = 42*pi = 132 mm (which is 1.07 l) (5)
d = 0.25C = 0.25*132 = 33 mm (6)
Для дистанций от 100 м до 2.5 км в пределах прямой видимости, 12 витков (N = 12) достаточно. Следовательно, длина трубы будет около 40 см (3.24 l). Обмотайте провод вокруг трубы и приклейте его поливинилхлоридным или любым другим, содержащим тетрагидрофуран (THF), клеем. Это даст очень прочную намотку вокруг трубы, как показано на рисунке 1 ниже.
Рисунок 1. Использованные материалы с размерами.
Сопротивление антенны:
Z = 140 * (C/l) = 140*{(42*pi)/123.4} = 150 Ом (7)
требует соответствия сети для использования стандартного 50 Ом UHF/SHF коаксиала и коннекторов.
Обычно используется заглушка в 1/4 волны с сопротивлением (Zs)
Zs = sqrt(Z1*Z2) = sqrt(50*150) = 87 Ом (8)
Из-за спиральной конструкции это соответствует 1/4 витка. Однако, с точки зрения механики, учитывая то, что необходимо позаботиться о водонепроницаемости, если антенна используется на открытом воздухе, есть более предпочтительные методы достижения сопротивления спиралью сопротивления в 50 Ом. Первой мыслью было эмпирически увеличить d для первого и второго витка и добиться нужного значения методом проб и ошибок, измеряя результат при помощи направленного блока сопряжения и генератора сигнала. После недолгих поисков в интернете были надены спирали, которые согласовывались таким способом, но неожиданно был найдена страница Джейсона Хеккера (Jason Hecker). Он действительно использовал элегантное решение согласования, используя медную лопатку в соответствии с ARRL Handbook. Так что вся хвала — ARRL и Джейсону, для антенны были использованы его размеры. Честно говоря, эта страница практически копирует его страницу, за исключением того, что спираль намотана в противоположном направлении :)).
Рисунки 2a и 2b. Идея, размеры и монтаж согласователя. Гипотенуза треугольника должна быть продолжением провода.
Теперь необходимо припаять согласователь к спирали, приклеить их и приготовиться к соединению с колпачком, как показано на Рис. 3.
Рисунок 3. Почти законченная спиральная антенна.
Готово! (Рис. 4)
Рисунок 4. Законченная 12тивитковая 2.4 ГГц спиральная антенна, G = 17.5 dBi или 13.4 dBi (соответственно по Краусу или Эмерсону).
Характеристики антенны были измерены. Результаты — на Рис. 5a и 5b:
Рисунок 5a. Потери на отражении (dB) от 2300 до 2500 МГц
Рисунок 5b. Диаграмма Смита 2300-2500 МГц
Рисунок 6a Установка для измерения
Рисунок 6b «Спиральная антенна за час» и анализатор Rohde & Schwarz
И наконец, спиральная антенна в действии…
Рисунок 7a Излучает на мой LAP (Local Access Point 😉
Рисунок 7b Вид снизу
Онлайн Расчет баночной WiFi, 3G антенны
Расчет ведется по формулам из книги — «Шабунин С.Н., Соловьянова И.П. Волноводы и объемные резонаторы 1998″.
Конструкции антенны посвящена следующая статья
Схематическое изображение антенны:
ВВЕСТИ ДАННЫЕ:
© 2015 Valery Kustarev
Ограничения и особенности расчетов антенн
Добавив к антенне насадку в виде раструба, мы из баночной антенны получаем простейшую коническую рупорную антенну. Такой прием позволяет получить добавку в усилении до 3 дБ по сравнению с простой банкой. Раструб можно изготовить из оцинкованной жести, его «выкройка» понятна из рисунка ниже, а необходимые размеры R1 и R2 рассчитываются в калькуляторе. Увеличивать размеры раструба для достижения еще большего усиления не рекомендуется, поскольку в конической рупорной антенне может наблюдаться эффект поворота плоскости поляризации. В результате, увеличив раструб, мы можем даже потерять в усилении. С большим раструбом лучший результат получается у пирамидальной рупорной антенны.
Если круглый волновод используется как линия передачи, то он работает в одномодовом режиме волны TE11(H11). При этом появления следующей моды TM01(E01) следует избегать. Однако, чтобы банка излучала своим открытым концом, ее следует возбуждать как раз в режиме волны TM01(E01). Размеры банки подобраны оптимальным образом для создания такого режима колебаний.
802.11b и 802.11g WiFi сети работают на частотах от 2412 МГц до 2462 МГц. Поэтому нижняя частота среза должна быть меньше 2412 МГц, а верхняя частота среза должна быть больше 2462 МГц.
Для других диапазонов Wi-Fi, а также для 3G, 4G — см. сводную таблицу частот.
Калькулятор, при выборе рабочего диапазона, автоматически предлагает оптимальный диаметр банки. При ручном вводе частоты необходимо также вручную подобрать диаметр банки таким, чтобы рабочий диапазон попал в ее полосу пропускания.
В оффлайн режиме можно воспользоваться небольшой программой для расчета баночной антенны. (обновлена 20.01.2014)
Расчет, аналогичный этому калькулятору, есть в андроид приложении Cantennator, доступном на Google play. Вы его можете загрузить на свое мобильное устройство, нажав на кнопку ниже или по QR-коду. Не забудьте оценить приложение…
Оптимально рассчитанные антенны:
Антенна клевер — 3G-aerial
Рассматривая различные варианты антенн для цифровых видов связи, мы с вами, уважаемый аноним, не можем обойти вниманием антенну носящую имя «Клевер». Антенна пользуется особой популярностью у фанатов FPV, однако в последнее время появилась и в различных других автоматизированных устройствах на основе Arduino. Диаграмма направленности «клевера» похожа на диаграмму направленности диполя, но в отличии от последнего, эта антенна имеет круговую поляризацию, что имеет особое значение для связи с движущимися объектами. Кроме того антенна с успехом может применяться для GPS модулей, а также и в сетях с линейной поляризацией, типа Wi-Fi.
Антенна представляет из себя три и более рамки, подключенные параллельно и изогнутые определенным образом для получения круговой поляризации. Наиболее популярны 3-х и 4-х лепестковые антенны «клевер». Сам процесс изготовления антенны с подробными инструкциями уже достаточно подробно изложен в интернете. Смотрите ссылки в конце статьи. Мы же здесь, в традициях 3G-Aerial, публикуем онлайн калькулятор антенны «клевер». Калькулятор основан на двух моделях (3 и 4 лепестка) для программы 4NEC2, которые вы можете скачать с нашего сайта.
Схематичное изображение антенны:
Исходный код Javascript:
© 2018 Valery Kustarev
Ограничения и особенности расчетов антенн
Антенна достаточно широкополосна, имеет неплохую повторяемость. При изготовлении следует обратить внимание не только на точность изготовления лепестков, но и на величину зазора в месте подключения d. При слишком маленьком зазоре растет КСВ и смещается вверх резонансная частота. У анонима, конечно же, появится вопрос:»Почему размеры тут и вон на том сайте не совпадают?» Потому как расчеты основаны на разных моделях, с разными диаметрами провода, с разными размерами рамок и промежутка в месте подключения. На некоторых сайтах просто берут прямые части лепестка по λ/4, а дугу — λ/2, не учитывая промежуток в месте подключения.
FPV-шники советуют на передачу ставить трехлепестковый клевер, а на прием 4-х лепестковый. Возникает резонный вопрос: «Почему?». На одном из блогов попался весьма исчерпывающий ответ: «Так надо!». Сразу вспомнилась Шура из кино-хита «Служебный роман». У нее была такая же железная аргументация. На самом деле, как мы знаем из теории антенн, существует принцип взаимности, согласно которому свойства антенны на прием и передачу идентичны. Более того, сравнивая характеристики 3-х лепесткового и 4-х лепесткового «клевера», мы не обнаруживаем между ними существенной разницы. Это видно даже из диаграмм направленности:
Откуда же взялось мнение о том куда сколько лепестков ставить? Просто испытания этих антенн на передачу проводятся в полевых условиях с измерителями интенсивности электромагнитного излучения. Последние в своем составе имеют в основном линейно-поляризованную антенну, которая не может адекватно измерить интенсивность волны с круговой поляризацией, по причине чего и возникает разница показаний интенсивности для разного числа лепестков. На самом деле разницы практически нет.
Ссылки по теме:
Хотелось бы сразу предостеречь посетителей этой странички от распространенной ошибки. Если аноним, сюда попавший, имеет намерение просто себе взять и рассчитать размеры антенны «3-х элементный волновой канал» по каким то формулам, то его ждет разочарование. Во первых по формулам считать не надо, почему — смотрите здесь. Во вторых, придется подумать над вопросом: «Какой конкретно 3-элементный волновой канал мне нужен?» Дело в том, что волновой канал — это не обычная конструкция антенны, а большой класс антенн, включающий в себя бесконечное число практический конструкций. Всего 3-элемента, а варьируя величинами 5 доступных нам размеров (степенями свободы), мы можем получить и 50 и 75-омную антенну, с разным усилением, разной полосой пропускания и т.д. Таких рабочих конструкций может быть множество, причем с не совпадающими размерами.
Представленная здесь конструкция оптимизирована по критерию отношения излучения вперед/назад (не хуже 20 дБ), имеет усиление более 7,3 dBi, полосу пропускания по критерию КСВ < 2 около 7% относительно центральной частоты, входное сопротивление около 50 Ом. Вибратор — линейный разрезной. Можно заменить его на петлевой той же длины. В таком случае входное сопротивление антенны будет около 200 Ом. При подключении коаксиального фидера требуется наличие балуна/симметризатора, конструкция которого зависит от рабочей частоты. Стрела должна быть диэлектрическая, например из деревянного бруса. Антенна не пригодна для приема DVB-T2. Если вы ищете телевизионный «цифровой» волновой канал, следуйте по ссылкам внизу под калькулятором.
Калькулятор обновлен 31.05.2020. Схематическое изображение антенны:
ВВЕСТИ ДАННЫЕ:© 2014-2020 Valery Kustarev
Ограничения и особенности расчетов антенн
Предыдущая версия калькулятора на этой страничке была основана на методике из работы — NBS TECHNICAL NOTE 688 — «Yagi Antenna Design» Peter P. Viezbicke 1976 год. Метод был разработан в доцифровую эпоху и в настоящее время полностью устарел. Краденую копию нашего старого калькулятора можно найти на radioman-portal.ru. Новая версия калькулятора основана на оптимизированных моделях 4NEC2 и HFSS. 
Для того чтобы подобрать размеры антенны оптимальным образом, использовалcя разработанный Николаем Младеновым скрипт Python для движка NEC2:
http://clients.teksavvy.com/~nickm/scripts.html
Используя методы нелинейного программирования, такой скрипт в автоматическом режиме перебирает десятки тысяч комбинаций «степеней свободы антенны», а их здесь, как мы отметили пять. В результате получается модель антенны у которой желаемые свойства максимизируются.
Ссылки по теме:
Спиральная антенна
Спиральные антенны относятся к классу «частотно-независимых» антенн; эти антенны характеризуются как имея очень большой пропускная способность. Дробная пропускная способность может достигать 30: 1. Это означает, что если нижняя частота равна 1 ГГц, антенна будет работать на частоте 30 ГГц, а каждая частота будет промежуточной.
Спиральные антенны обычно имеют круговую поляризацию. Диаграмма направленности излучения спиральной антенны обычно имеет пиковое направление излучения, перпендикулярное плоскости спираль (широкополосное излучение).Ширина луча половинной мощности (HPBW) составляет приблизительно 70-90 градусов.
Спиральные антенны широко используются в оборонной промышленности для измерений, где требуются очень широкополосные антенны, которые не занимают много места. Спиральные антенные решетки используются в военных самолетах в диапазоне 1-18 ГГц. Другие применения спиральных антенн включают GPS, где выгодно есть RHCP (правая круговая поляризация) антенны.
Логопериодическая спиральная антенна
В 1954 году Эдвин Тернур начал возиться с дипольной антенной.Вместо того чтобы оставить руки прямыми, он обнял их друг друга, образуя спираль. Это было начало спиральной антенны. Мы можем определить плечи спиральной антенны, используя простые полярные координаты и полярные функции. Логопериодическая спиральная антенна, также известная как эквиангулярная спиральная антенна, имеет каждое плечо, определяемое полярной функцией:
| [Уравнение 1] |
|---|
В уравнении [1] постоянная, которая контролирует начальный радиус спиральной антенны.Параметр и контролирует скорость, с которой спираль антенна вспыхивает или растет при повороте. Уравнение [1] на английском языке утверждает, что радиус спиральной антенны растет экспоненциально по мере ее поворота. На рисунке 1, график плоской логопериодической спиральной антенны.
Рисунок 1. Логопериодическая спиральная антенна с C, = 1 и , = 0.1.
Плоская спиральная антенна на рисунке 1 будет иметь пиковые направления излучения в и из экрана (широкая к плоскости спирали, в обоих спереди и сзади).Спиральная антенна на рисунке 1 будет излучать циркулярно поляризованную правую руку (RHCP) поля вне экрана, и левая рука циркулярно поляризована (LHCP) поля на экран. Смысл поляризованных по кругу полей можно определить, поместив большой палец в направлении полей и свернувшись ваши пальцы в направлении спиральной антенны (если ваши пальцы согнуты в правильном направлении правой рукой, тогда это RHCP. В противном случае это LHCP).
Параметры, влияющие на излучение спиральной антенны:
1.Общая длина спирали или внешний радиус () — определяет самую низкую частоту работы спиральной антенны. Самый низкий операционный частота спиральной антенны обычно приближается к случаю, когда длина волны равна окружности спирали:
| [Уравнение 2] |
|---|
2. Скорость вспышки ( a ) — Скорость, с которой спираль растет под углом, является скоростью вспышки.Если он слишком большой, спираль плотно обернута вокруг себя. В этом случае он будет вести себя как конденсатор с тесно связанными проводниками, дающими слабое излучение. Если скорость вспышки слишком мала, спираль действует больше как диполь, так как не оборачивается вокруг себя. Обычно используемое значение составляет , а = 0,22.
3. Структура подачи — Корм должен быть под контролем с балун так что спираль имеет сбалансированные токи на любой руке. Обычно используемый балун для спиральных антенн это бесконечный балун.Что еще более важно, структура подачи определяет верхний предел рабочей полосы. Как сильно вы можете обернуть спираль на себя определяет, насколько малой может быть длина волны, которая будет соответствовать вашей спирали и при этом поддерживать работу спиральной антенны. Самая высокая частота в спиральных антеннах рабочая полоса возникает, когда самый внутренний радиус спирали (т.е. где спираль начинается после структуры подачи) равен лямбда / 4 (четверть длины волны). То есть, самая высокая частота может быть определена из внутреннего радиуса (в уравнении [1]):
| [Уравнение 3] |
|---|
4.Число витков (N) — Количество витков спирали также является расчетным параметром. Экспериментально установлено, что спирали с хорошо работает по крайней мере половина оборота до 3 оборотов, при этом 1,5 оборота является хорошим числом.
Излучение происходит от спиральной антенны, когда токи на плечах спирали находятся в фазе. Когда спираль извивается из центра, для каждой частоты (длины волны) будет существовать область, в которой токи конструктивно складываются и производят излучение.Это излучение снимает энергию с электрического тока на спиральной антенне; в результате величина тока отмирает с расстоянием от спирали антенна. Следовательно, есть небольшое отражение тока от конца спиральной антенны. Как быстро сила тока уменьшается От центра спирали зависит геометрия спиральной антенны.
Чтобы в дальнейшем уменьшить отражение от конца спирали (что уменьшит общее эффективность антенны и пропускная способность), иногда резистивные нагрузки применяются к концу спиралей, чтобы ток не отражался на концах спиральных рукавов.
Сопротивление слотовой антенны — принцип Бабинета
Чтобы оценить импеданс спиральной антенны, мы можем вспомнить Принцип Бабинета, который обсуждался в отношении слот антенны. Обратите внимание, что логопериодическая спиральная антенна и это Двойные поверхности идентичны. То есть, если мы повернем логопериодическую спираль на 90 градусов, мы получим точно такую же форму, которая является двойственной спирали антенна. Это уникальное свойство средства имеет приятные последствия.Поскольку импеданс двух антенн одинаковой формы должен также быть идентичными, мы можем получить сопротивление по принципу Бабинета:
| [Уравнение 4] |
|---|
То есть логопериодическая спиральная антенна имеет теоретический импеданс около 188 Ом. В реальных реализациях спиральных антенн полное сопротивление имеет тенденцию быть меньше этого, в диапазоне 100-150 Ом.
Радиационные диаграммы
Диаграмма направленности логопериодической спиральной антенны приблизительно равна:
| [Уравнение 5] |
|---|
У этой диаграммы есть два равных пика излучения, оба широкие к плоскости спиральной антенны (которая лежит в плоскости z = 0, или плоскости x-y).Один пик выше плоская спиральная антенна и другая ниже. Спиральная антенна имеет круговую поляризацию по широкой ширине луча, часто для угловых областей шириной , Это очень широкая ширина луча для круговой поляризации; это один из особенностей, которые делают спиральные антенны очень полезными.
Архимедова спиральная антенна
Другой распространенный тип плоской спиральной антенны известен как Архимедова спиральная антенна. Каждое плечо архимедовой спирали определяется уравнением:
| [Уравнение 6] |
|---|
Уравнение [6] утверждает, что радиус r антенны увеличивается линейно с углом ,Параметр это просто константа, которая контролирует скорость, с которой спираль вспыхивает. Вторая рука архимедовой спирали такая же, как и первая, но повернута на 180 градусов. График архимедовой спирали, приведенный в уравнении [6], показан на рисунке 2:
Рисунок 2. Архимедова спиральная антенна, с и = 0,1.
На рисунке 2 у нас есть два плеча архимедовой спиральной антенны, вылетающей из центра, как определено уравнением [6]. Питание антенны (источник напряжения), расположен прямо между двумя рукавами спирали — положительный конец одного плеча и отрицательный конец подачи к вторая спиральная рука
Сотовые антенны с гнездовой опорой
Антенны со слотами, описанные ранее, были плоскими антеннами со слотами. Как уже говорилось, они обычно используются на самолетах или других металлических предметах. По существу, желательно, чтобы щелевая антенна была снабжена полостью из металла. Это изолирует спиральную антенну от того, что позади нее, так что она может быть установлен на объектах, не беспокоясь о перенастройке антенны.
Слоты на полых опорах бывают двух типов.Первый — это простая металлическая подложка, отделенная от спирали некоторым расстоянием или глубиной, d . Это металлик поддержка будет вызывать отражения излучаемых полей, которые входят в полость. Таким образом, они часто могут отменить поля, идущие вдоль плоскость спиральной антенны. Если глубина d мала по отношению к длине волны или целому кратному половине длины волны, отраженное поле будет иметь тенденцию отменять прямое поле движения спиральной антенны, что приведет к плохому излучению.Следовательно, делая металлическую полость на спирали будет работать, но уменьшит широкополосные характеристики спиральной антенны.
Альтернативный метод заключается в использовании поглощающего материала для создания резонатора спиральной антенны. В этом случае отраженные поля от полости будут быть ослабленным, чтобы не было разрушительных помех; следовательно, спиральная антенна сохранит свои широкополосные характеристики. Это имеет тенденцию к снижению эффективность антенны спиральной антенны, так как примерно половина излучаемой мощности должна быть поглощена (поля, перемещающиеся в полость).Однако эта потеря КПД составляет примерно 3 дБ, что часто допустимо.
Простая конструкция архимедовой спиральной антенны
В этом разделе я расскажу о простом построении плоской спиральной антенны. Во-первых, вот несколько шаблонов спиральной антенны, которые вы можете распечатать если вы хотите создать свои собственные спиральные антенны:
Архимедова спираль, а = 0,22, приблизительно 3,2 витка
Логопериодическая спиральная антенна, a = 0.2, приблизительно 2,5 оборота
Я начну с распечатки архимедовой спиральной антенны. Затем я использую два коаксиальных кабеля длиной около 15 дюймов:
Я начинаю с коаксиального кабеля подачи и оборачиваю его к центру спирали (это будет спиральный рычаг 1). Важно иметь одинаковые спиральные рукава материалы и формы, чтобы сохранить текущий баланс. По сути, я подаю центральный провод питающего кабеля (спиральный рычаг 1) к внешнему экрану второго коаксиальный кабель (спиральный рычаг 2).Затем я заверну спиральный рычаг 2 вдоль второго пути спиральной антенны (зеленая линия) на изображении архимедова выше. Затем я просто используйте ленту, чтобы закрепить антенну на месте. Это оно! У нас есть наша спиральная антенна, показанная с подключенным коаксиальным кабелем питания:
Обратите внимание, что мы использовали сам кабель питания в качестве одного из плеч спиральной антенны, что делает бесконечный балун. VSWR, измеренный с помощью сетевого анализатора (VNA), показан на рисунке 3:
Рисунок 3. VSWR для спиральной антенны, показанной выше.
КСВН на рис. 3 не особенно хорошо согласован (потери несоответствия по полосе чуть менее 50%). Тем не мение, VSWR является постоянно постоянным, что является желательным свойством широкополосных антенн. КСВН для этой антенны можно улучшить с помощью оптимизации. структуры подачи, увеличивая число витков и оптимизируя форму (насколько быстро спираль наматывается или используя логарифмическую спиральную форму). Тем не менее, это очень хорошо для 5-минутной антенны. эффективность антенны показана на рисунке 4:
Рисунок 4Эффективность построенной спиральной антенны.
Эффективность остается довольно постоянной, около -5 дБ по всей полосе. При потере несоответствия, составляющей около -3 дБ, около 2 дБ потерь, связанных с самой структурой. Следовательно, существует много возможностей для оптимизации производительность спиральной антенны. Однако рисунок 4 показывает, что эта антенна является достойным излучателем.
Список антенн
Антенна Учебник (Домашняя)
Эта страница о спиральных антеннах защищена авторским правом.Никакая часть не может быть воспроизведена кроме как с разрешения автора. Copyright антенна-theory.com, 2009-2015. ,Спиральная микрополосковая антеннас дизайном для полосы 700 МГц Специальное издание
Малые антенны: методы и приложения миниатюризации 2016 Просмотреть этот специальный выпускИсследовательская статья | Открытый доступ
Том 2016 | Артикул 1879287 | 7 страниц | https://doi.org/10.1155/2016/1879287Рикардо Менезес Гонсалес , 1 Р. Линарес и Миранда, 1 и Р. Лейва Эрнандес 1 .
Спиральная антенна — Википедия переиздано // WIKI 2
Тип РЧ антенны
Спиральная антенна
Двухручковая бревенчатая спиральная антенна
В микроволновых системах спиральная антенна представляет собой тип радиочастотной антенны. Он имеет форму спирали, состоящей из двух рукавов, или можно использовать больше рукавов. [1] Спиральные антенны были впервые описаны в 1956 году. [2] Спиральные антенны относятся к классу частотно-независимых антенн, которые работают в широком диапазоне частот.Поляризация, диаграмма направленности и полное сопротивление таких антенн остаются неизменными на большой ширине полосы. [3] Такие антенны изначально имеют круговую поляризацию с низким усилением. Массив спиральных антенн можно использовать для увеличения усиления. Спиральные антенны — это антенны уменьшенного размера с обмотками, делающими их чрезвычайно малой структурой. Полости с потерями обычно располагаются сзади для устранения задних лепестков, потому что в таких антеннах обычно предпочтительным является однонаправленный рисунок. Спиральные антенны подразделяются на разные типы; архимедова спираль, квадратная спираль и звездная спираль и т. д.Архимедова спираль — самая популярная конфигурация.
Энциклопедия YouTube
log Спиральная антенна из полого бревна
✪ 11 Частотно-независимые антенны, миниатюризация антенны и фрактальные антенны
✪ SOLIDWORKS — Коническая бревенчатая спиральная антенна
Содержание
Принципы работы
Эти антенны работают в трех направлениях: бегущая волна, быстрая волна и вытекающая волна.
Бегущая волна, сформированная на спиральных рукавах, обеспечивает широкополосную работу. Быстрая волна происходит из-за явления взаимной связи, возникающего между рукавами спирали. Утекающая волна «пропускает» энергию во время распространения через спиральные рукава, создавая излучение.
Теория кольца (теория полос) объясняет принцип работы спиральной антенны. Теория утверждает, что спиральная антенна излучает из активной области , где длина окружности спирали равна длине волны. [4]
Дизайн
При проектировании квадратной спиральной антенны необходимо учитывать различные параметры конструкции.Параметры включают расстояние между поворотами s {\ displaystyle s} , ширина руки вес {\ displaystyle w} внутренний радиус р 1 {\ displaystyle r_ {1}} и внешний радиус р 2 {\ displaystyle r_ {2}} , Внутренний радиус измеряется от центра спирали до центра первого витка, в то время как внешний радиус измеряется от центра спирали до центра крайнего витка. Помимо этих параметров конструкции спиральные антенны имеют самые низкие е низкий знак равно с / 2 π р 2 ) {\ displaystyle f _ {\ text {low}} = c / 2 \ pi r_ {2})} и самый высокий ( е высокая знак равно с / 2 π р 1 ) {\ displaystyle (f _ {\ text {high}} = c / 2 \ pi r_ {1})} рабочие частоты.Вот с {\ displaystyle c} соответствует скорости света. В ( р , θ ) {\ displaystyle (r, \ theta)} система координат, спираль растет вдоль р {\ displaystyle r} ось и θ {\ displaystyle \ theta} Ось одновременно. Все спирали удовлетворяют р знак равно + б θ {\ displaystyle r = a + b \ theta} уравнение где {\ displaystyle a} соответствует фактору роста и б {\ displaystyle b} соответствует коэффициенту умножения.
Различные конструкции спиральной антенны можно получить, варьируя количество витков, которые она содержит, расстояние между ее витками и ширину ее плеча.Диэлектрическая среда используется с определенной диэлектрической проницаемостью и размерами, на которых напечатана спираль. Диэлектрические среды, такие как Rogers RT Duroid, помогают уменьшить физический размер антенны. Тонкие подложки с более высокой диэлектрической проницаемостью могут достигать того же результата, что и толстые подложки с более низкой диэлектрической проницаемостью. Единственная проблема с такими материалами — их меньшая доступность и высокая стоимость. [5]
приложений
Спиральная антенна передает электромагнитные волны, имеющие круговую поляризацию.Он будет принимать линейно поляризованные электромагнитные волны в любой ориентации, но будет ослаблять сигналы, принимаемые с противоположной круговой поляризацией. Спиральная антенна будет отклонять циркулярно поляризованные волны одного типа, в то же время прекрасно принимая волны, имеющие другую поляризацию.
Одним из применений спиральных антенн является широкополосная связь. Другое применение спиральных антенн — мониторинг частотного спектра. Одна антенна может принимать сигналы в широкой полосе частот, например, в соотношении 5: 1 между максимальной и минимальной частотой.Обычно в этой заявке используется пара спиральных антенн, имеющих идентичные параметры, за исключением поляризации, которая противоположна (одна направо, другая ориентирована слева). Спиральные антенны полезны для радиопеленгации. [6]
Элементы
Антенна состоит из двух проводящих спиралей или плеч, идущих от центра наружу. Антенна может представлять собой плоский диск с проводниками, напоминающими пару свободно вложенных часовых пружин, или спирали могут проходить в трехмерной форме, подобно винтовой резьбе.Направление вращения спирали определяет направление поляризации антенны. Также могут быть включены дополнительные спирали, чтобы сформировать многоспиральную структуру. Обычно спираль имеет полость, то есть имеется полость из воздуха или непроводящего материала или вакуума, окруженная проводящими стенками; полость изменяет диаграмму направленности антенны на однонаправленную форму. Выход антенны представляет собой сбалансированную линию. Если требуется одна входная или выходная линия, например коаксиальная линия, то для преобразования сигналов добавляется симметрирующее устройство или другое устройство. Стивен Э. Липски «Пассивный радиопеленгационный поиск», SciTech Publishing, 2004 ISBN 1-891121-23-5 стр. 40
«Практическая антенна» ссылки
Последний раз эта страница редактировалась 25 июня 2020 года, в 05:22.
,2,4-5,8 ГГц СШП Круговая Поляризация СШП Антенна Спиральная Антенна Изометрическая Спиральная Антенна
Описание товара
Антенна представляет собой спиральную антенну с круговой широкополосной поляризацией.
Подходит для передачи и приема направленного радиосигнала, покрытия сигнала, тестирования широкополосного сигнала и других целей.
Рабочая частота антенны охватывает общие частоты, такие как UWB и модуль позиционирования Wifi.
Его характеристики круговой поляризации могут уменьшить влияние нескольких путей.
Рабочая частота: 2,4 ГГц — 5,8 ГГц
Мощность: 5 Вт Усиление антенны
: 3,5 дБи
Направление излучения: осевая плоскость антенны Режим поляризации
: правая круговая поляризация Импеданс антенны
: 50 Ом
Потери на возврат: менее 10 дБ
Коэффициент длины волны: 1,5.
Тип разъема: SMA-K (стандартная внутренняя головка, внутреннее отверстие внешнего винта) Размер антенны
: 50 * 50 * 25 мм (без разъема)
Цвет: зеленый
Материал: металл + ПК
Комплектация :
1 * Изометрическая спиральная антенна
Только вышеуказанное содержимое пакета, другие продукты не включены.
Примечание. Легкая съемка и различные показы могут привести к тому, что цвет объекта на изображении будет немного отличаться от реального. Допустимая погрешность измерения составляет +/- 1-3 см.