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. 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 Z_A 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.

Спиральная антенна своими руками: сборка и расчёты

Считается, что спиральная антенна характеризуется круговой поляризацией, но мнение ошибочно. В действительности структура витков такова, что принимаются волны и с линейной поляризацией. Это удобно, когда присутствует возможность работать на любой структуре волны. И спиральные антенны используются как облучатель зеркал на спутнике. Для радиолюбителей недостаток в том, что волна с линейной поляризацией ослабляется на три децибела, как известно, в радио и телевещании другого не используется. В стране спиральный облучатель уместен лишь для ловли НТВ+ со спутника, там метод не используется. Ряд специальных применений указанных антенн обсуждать не станем. Впрочем, запросы по теме встречаются в сети. Кому пригодится спиральная антенна, свитая из проволоки и одетая на кусок трубы, ответить не беремся, даже в сборнике работ радиолюбителей этот класс изделий отсутствует напрочь.

Конструкция спиральной антенны

Как собрать спиральную антенну

Спиральная антенная напоминает инфракрасный обогреватель специфической конструкции. В СССР военные заводы выпускали приборы бытового назначения. Отсюда сходство параболических тарелок и обогревателей. Для сборки понадобится узнать диаметр и шаг намотки проволоки, количество витков. Из материалов понадобятся:

1. Стальной лист для экрана, произвольной толщины, чтобы не гнулся от ветра и прочих коллизий.
2. Отрез проволоки, чтобы хватило намотать витки с запасом.
3. Питающий кабель: для телевидения 75 Ом, для радио 50 Ом.
4. Труба пластиковая нужного диаметра.

Спиральные антенны относятся к классу бегущей волны, сопротивление устройств велико, чтобы, правильно рассчитав устройство, подключить без согласования. Сначала размечается труба, с запасом, чтобы удалось воткнуть в экран и приклеить. Вдоль оси (лучше с двух сторон) размечается шаг намотки. В будущем риски используются для выравнивания. Отступите спереди пару-тройку сантиметров, начинайте работать маркером. Обратите внимание, что с обратной стороны виток смещается ровно на полшага.

Спираль наматывается на трубу без учета шага, с нужным числом витков. В дальнейшем, начиная с первой риски, нужно растянуть проволоку правильным образом. Чтобы не происходило смещения в дальнейшем, следует правильное положение зафиксировать каплями клея. Примерно по три-четыре на виток. Тем временем изготовим экран.

Выбирайте квадрат со стороной порядка пяти диаметров трубы намотки. Нет разницы, какова толщина стали, выдерживайте прочностные характеристики. В собранном виде экран перпендикулярен трубе.

Для электрической сборки следует в области окончания спирали (основание трубы) просверлить отверстие и проволоку пропустить внутрь. За экраном в боковине проделываем дополнительную дыру, куда пропускаем оплетку питающего кабель. Электрически центральная жила соединяется со спиралью, экран фидера с экраном антенны. Образуется конструкция для приема и передачи волн. Труба со стальным экраном соединяются клеем-герметиком по уголку, чтобы обеспечить строгую перпендикулярность деталей. Ключевые моменты:

• Спираль и экран изготавливаются из проводящего материала, к примеру, меди.
• Труба из диэлектрика.

Расчет спиральной антенны

Спиральные антенны хороши способностью ловить любой тип волны, используемый в наземном вещании. Однако для ловли радио следует ось направить вверх, экран же расположится горизонтально. Устройству присущи ярко выраженные направленные свойства, не ждите, что получится охватить ряд вышек из одной точки. Не так просто. Диаграмма направленности зависит от габаритов спиральной антенны и сильно:

1. Если длина витка много меньше длины волны, преобладает боковое излучение, поперек оси антенны. Причем поляризация не круговая.
2. В идеальном случае длина витка укладывается в рамки 0,75 – 1,3 длины волны. В этом случае наблюдаем главный лепесток диаграммы направленности, смотрящий вперед. Разумеется, необходим экран.
3. Если длина спирали больше 1,5 длины волны, образуется два лепестка, направленных в переднюю полуплоскость. Точнее говоря, получается нечто, напоминающее конусную поверхность.

Спиральная антенна

Косвенно (по второму пункту) читатели уже составили представление о диапазоне. В два раза полосу расширим, применяя не цилиндрическую, а конусную спираль (коническая спиральная антенна). Рекомендуем онлайн калькулятор на сайте http://aerial.dxham.ru/onlajn-raschety/raschety-antenn/raschet-spiralnoj-antenny. Здесь предлагается задать частоту, шаг намотки спирали и длину излучателя:

• От длины намотки спирали зависит ширина главного лепестка диаграммы направленности. Варьируйте число витков и наблюдайте за параметром (находится в низу страницы калькулятора). Едва приметно меняется диаметр намотки спирали. Этому нет объяснения, создателям калькулятора виднее. Разумеется, понадобится больше меди, что отражается в соответствующих параметрах.
• Добавим, что с увеличением длины растет и усиление. Это типичный эффект: сужается лепесток – растет усиление. Площадь диаграммы направленности – величина постоянная. Как говорил Ломоносов, если в одном месте чего прибудет, в другом непременно убыть должно. Заметьте, что с ростом витков едва приметно падает ширина полосы пропускания.
• От шага намотки зависит усиление: чем больше цифра, тем ниже усиление, тем уже диаграмма направленности. На наш взгляд это ошибка авторов, потому что выходит, что выгоднее мотать плотно. Вдобавок проволоки уйдет меньше. Показаны исключительно преимущества, на практике подобное выглядит сомнительно.

Из полезных свойств этого онлайн калькулятора хотелось бы отметить расчет минимального размера экрана. А насчет шага уточните в справочниках, чем и займемся. Кстати, любопытен факт, что по умолчанию на сайте сразу стоит частота WiFi 2,45 ГГц. Здесь сегодня спиральные антенны часто применяются.

Самодельная спиральная антенна

Нашли: усиление зависит только от числа витков. Шаг намотки рекомендуется выбирать 0,22 – 0,24 длины волны. На сайте это значение задаем в широких пределах. Предлагаем читателям выбрать шаг, варьируя число витков. Случается, что в отдельных калькуляторах встречаются ошибки, точной информацией владеет лишь веб-программист.

Кстати, в новом источнике сведения приведены, что экран размещается позади спирали на расстоянии 0,12 длины волны. При этом добавляется, что если диаметр экрана выбирается равным 0,8 длины волны и более, сторона квадрата еще больше: 1,1 λ. Ситуация не настолько очевидна, но представьте, что круг обязан вписаться внутрь – все встает на места.

Что касается согласования, сопротивление спиральной антенны сильно зависит от толщины проволоки и с ростом уменьшается. Возможно добиться цифры, равной 75 и даже 50 Ом. В данном случае согласования не требуется, что упрощает эксплуатацию. На высоких частотах это работает. К примеру, волновое сопротивление станет равным 75 Ом при толщине проволоки 5% длины волны. Получая 50 Ом, следует взять толщину проволоки 7% длины волны. Видите, что на частотах WiFi это реально, а значит, рассчитаем параметры так, избегая согласования.

Обратите внимание, в калькуляторе не дается возможности задать толщину провода, а с имеющимся волновое сопротивление равно 140 Ом. Вероятно, это профессиональная хитрость, по нашим сведениям кабель должен быть на 50 Ом на частотах WiFi. Зато легко проверить, выполняется ли зависимость от толщины провода. Приведем таблицу и сравним результат.

Таблица расчетов

Итак, частота составляет 2450 МГц, находим длину волны по простой формуле:

λ = 299 792 458 / 2450 000 000 = 0,1223 метра.

Находим нужный диаметр провода для сопротивления 140 Ом:

0,1223 х 0,02 = 2,45 мм, проверим, совпадает ли это с онлайн калькулятором! Смотрим и видим: 2,4. Ну, если учесть, что без округления получилось 2,447 мм, то будем считать, что два источника повторяют друг друга, а значит указаниям по выбору шага намотки (см. выше) можно поверить. На этом считаем, что самодельная спиральная антенна готова, а также найдем толщину проволоки, при которой сопротивление станет равным 50 Ом: получается 8,5 мм. Причём на указанной высокой частоте сложно обеспечить требуемые условия. Посему целью самостоятельно сделать спиральную антенну чаще задаются компьютерщики.

Что касается нестыковок в калькуляторе, проверяйте читаемую в интернете техническую информацию несколько раз. Считаем, что ответили на вопрос, что такое спиральная антенна, и как сделать спиральную антенну. Плюс конструкции в простоте изготовления, если патчи нужно просчитывать, согласовывать, и не факт, что получится, здесь имеется неплохое устройство, удовлетворяющее заданным условиям, отсеивающее массу помех. С обеих сторон (на прием и передачу) стоят одинаковые антенны, чтобы работать с круговой поляризацией, в противном случае результат станет загадочно-непредсказуемым. Спиральная антенна, собранная самостоятельно – реальность.

Теория антенн — спиральная — CoderLessons.com

Спиральная антенна является примером проволочной антенны и сама образует форму спирали. Это широкополосная антенна VHF и UHF.

Диапазон частот

Частотный диапазон работы спиральной антенны составляет от 30 МГц до 3 ГГц . Эта антенна работает в диапазонах VHF и UHF .

Конструкция и работа спиральной антенны

Спиральная антенна или спиральная антенна — это антенна, в которой проводящий провод намотан в виде спирали и соединен с пластиной заземления с помощью фидерной линии. Это самая простая антенна, которая обеспечивает циркулярно поляризованные волны . Он используется во внеземной связи, в которой задействованы спутниковые ретрансляторы и т. Д.

На изображении выше показана спиральная антенная система, которая используется для спутниковой связи. Эти антенны требуют более широкого наружного пространства.

{- 1} (\ frac {S} {\ pi D}) $$

где,

• D — диаметр спирали.

• S — интервал поворота (от центра к центру).

• α — угол тангажа .

D — диаметр спирали.

S — интервал поворота (от центра к центру).

α — угол тангажа .

Режимы работы

Преобладающими режимами работы спиральной антенны являются —

Нормальный или перпендикулярный режим излучения.

Осевой или торцевой или лучевой режим излучения.

Давайте обсудим их подробно.

Нормальный режим

В нормальном режиме излучения поле излучения перпендикулярно оси спирали. Излучаемые волны имеют круговую поляризацию. Этот режим излучения получается, если размеры спирали малы по сравнению с длиной волны. Диаграмма направленности этой спиральной антенны представляет собой комбинацию короткой дипольной и рамочной антенны.

На приведенном выше рисунке показана диаграмма излучения для нормального режима излучения в спиральной антенне.

Это зависит от значений диаметра спирали D и расстояния между ее витками,

S. Недостатками этого режима работы являются низкая эффективность излучения и узкая полоса пропускания. Следовательно, это вряд ли используется.

Осевой режим

В осевом режиме излучения излучение направлено в направлении конечного огня вдоль спиральной оси, а волны поляризованы по кругу или почти по кругу. Этот режим работы получается путем увеличения окружности до порядка одной длины волны (λ) и разнесения приблизительно на λ / 4 . Диаграмма направленности широкая и направленная вдоль осевого луча, образуя небольшие лепестки под косыми углами.

На рисунке показана диаграмма направленности для осевой моды излучения в спиральной антенне.

Если эта антенна предназначена для волн правой круговой поляризации, то она не будет принимать волны левой круговой поляризации и наоборот. Этот режим работы генерируется с большой легкостью и более практично используется .

преимущества

Ниже приведены преимущества спиральной антенны —

• Простой дизайн
• Высочайшая направленность
• Более широкая полоса пропускания
• Может достигать круговой поляризации
• Может также использоваться в диапазонах HF и VHF

Недостатки

Ниже приведены недостатки спиральной антенны —

• Антенна больше и требует больше места
• Эффективность уменьшается с числом оборотов

Приложения

Ниже приведены применения спиральной антенны —

Одиночная спиральная антенна или ее массив используются для передачи и приема ОВЧ-сигналов.

Часто используется для спутниковой и космической связи

Используется для телеметрических соединений с балластными ракетами и спутниками на земных станциях

Используется для установления связи между Луной и Землей

Приложения в радиоастрономии

Изготовление спиральной антенны для Wi-Fi из подручных средств — asp24.

ru

Так сложилось, что на работе мы остались без Интернета, это и послужило стимулом для изготовления антенны. Основным критерием было достигнуть результата при минимальных затратах. Таким образом, в ход пошло всё то, что было под рукой. А под рукой было: два Wi-Fi модема TP-Link, не кривые руки, желание и цель. Расстояние между потенциальными точками доступа составило около 700 метров в пределах прямой видимости. Стандартный Wi-Fi модем способен преодолеть только до ста метров. Для увеличения коэффициента усиления, необходимо сфокусировать узконаправленный сигнал. Для этих целей идеально подходит спиральная антенна Джона Крауса (John Kraus) для частот в диапазоне от 2 до 5 ГГц. В беспроводных сетях, с использованием стандарта IEEE 802.11b, также известного как Wi-Fi, используется частота 2.43 ГГц.\

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 антенны должны иметь одинаковую направленность поляризации, то есть намотаны в одну сторону.

Реализация для частоты 2.43 ГГц

 

 Для этих целей идеально подходит обычная сантехническая пластиковая труба с внешним диаметром 40 мм с учетом намотанного медного провода с изоляцией в 1 мм – это 42 мм (диаметр витка). Но мы собирали антенну из того, что под рукой, а под рукой имелись винипластовые стержни с наружным диаметром 35 мм. При этом диаметр витка выходит 37 мм, что так же не плохо.

Расчеты

Для пластиковой трубы с диаметром 40 мм

Окружность витка: 

• Для 2.5 км 12 витков достаточно (N=12).
• Длина трубы будет около 40 см (3.24 l).
• Размер отражателя (R) 42 не менее C или l – 14 см.

Для винипластового круглого стержня с диаметром 35 мм

Окружность витка:

 

• Длина трубы будет около 40 см (3.24 l).
• Размер отражателя (R) не менее C или l – 14 см.

Необходимые материалы:

 

• для отражателя использовался фольгированный гетинакс, но так же можно использовать любую медную или алюминиевую пластину любой толщины. Но не очень тонкую, т.к. отражатель является основной несущей базой антенны;
• медный одножильный провод не тоньше 1 мм в диаметре (нами использовался провод сечением в 1.5 квадрата) в ПХВ изоляции длинной около 1.5 м;
• круглый сердечник из винипласта диаметром 35 мм и длиной 40 см;
• полоска медной фольги для изготовления волнового генератора в виде треугольника. Размер малого катета 17 мм, длина гипотенузы 71 мм. Толщина не фиксированная, главное условие, что бы ее можно было обогнуть вокруг сердечника;
• для подключения коаксиального кабеля я использовал коннектор от старой сетевой 10 Мбит/с карты;
• крепления произвольные.

Процесс сборки

 

Для начала возьмем винипластовый сердечник. Нанесем на него разметку. Расстояние между метками, согласно нашим расчетам, должно быть 29 мм. Это расстояние между витками. Для выравнивания провода, я обычно использую один не хитрый способ. Зажав один конец провода в тиски, с силой натягиваем в струну за другой конец. Для того чтобы ровно уложить провод, я просверлил отверстие на крайней метке. Диаметр отверстия равен диаметру провода с изоляцией, что позволит зафиксировать конец провода, вставив его в отверстие. После чего плотно наматываем провод на сердечник. Плавно растягиваем спираль и фиксируем с помощью клея витки на метках. В итоге должно получиться 12 витков с расстоянием в 29 мм. При использовании трубы в качестве сердечника, появляется проблема с креплением отражателя.

 

Возникает необходимость использовать дополнительные детали. В нашем случае сердечник из винипласта. Он легко крепится к отражателю с помощью обычного шурупа — самореза, длина которого около 50 мм. Я использовал шуруп со шляпкой под ключ, чтобы облегчить закручивание. Для крепления отражателя делаем разметку под отверстие по центру пластины. Центр находим за счет пересечения диагоналей. Диаметр отверстия зависит от диаметра крепежного шурупа. Также отмеряем от центра расстояние равное радиусу сердечника. Здесь сверлим отверстие под коннектор. При отсутствии коннектора, коаксиальный кабель можно припаять напрямую. Экранирующий контакт припаиваем к пластине отражателя, а центральную жилу к волновому генератору. Роль волнового генератора будет у нас выполнять треугольная пластинка из медной фольги. К тонкому углу генератора припаиваем кончик нашей спирали. Гипотенуза треугольника из медной фольги должна быть продолжением спирали.

 

Так как антенна будет установлена на открытом воздухе, рекомендуется залить места паек силиконом, а на сердечник надеть термоусадку с диаметром 50 мм.

Монтаж и настройка

Мною было изготовлено две одинаковые антенны. Одна была установлена на крышу дома, где иметься Интернет. Вторая антенна установлена на крыше служебного здания. Для достижения максимального эффекта обе антенны должны быть направлены друг на друга и находиться в прямой видимости. В качестве точек доступа использовались Wi-Fi модемы TP-LINK. На обоих ТД установлен MOD Point to Point с указанием MAC-адреса другого модема. Эта настройка установлена из соображений безопасности, дабы отсечь не санкционированные подключения к нашей сети (халявщиков с ноутбуками и смартфонами).

 

 

Если не боитесь мародеров, то рекомендую ставить Wi-Fi модем возле антенны. Можно закрепить его на тыльной стороне отражателя. Естественно, поместив его в герметичную упаковку. Связь модема с компьютером осуществить по кабелю витой пары (Ethernet). Максимально укоротив коаксиальный кабель, Вы уменьшите затухание сигнала. 

 

© x-drivers

Спиральная антенна — это… Что такое Спиральная антенна?

Спиральная антенна

        диапазонная Антенна бегущей волны, излучающая (принимающая) электромагнитные волны с эллиптической или круговой поляризацией волн. С. а. применяют преимущественно в дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн — как самостоятельно, так и в качестве облучателей зеркальных и линзовых антенн (например, в системах космической связи). Различают плоские и пространственные С. а.          Плоскую С. а. обычно выполняют в виде двухпроводной линии, каждый проводник (плечо) которой имеет форму архимедовой (рис. 1, а) или логарифмической (рис. 1, б) спирали (см. Линия).

         Передатчик (приёмник) подсоединяют к плечам в центральной части С. а. с помощью коаксиальной или открытой двухпроводной линии. Отношение максимальной частоты рабочего диапазона к минимальной (кратность диапазона) может достигать 20; коэффициент направленного действия обычно равен нескольким единицам.

         Пространственные С. а. цилиндрической (рис. 2, а) или конической (рис. 2, б) формы выполняют из металлического провода, который подсоединяется к центральному проводнику коаксиальной линии; внешний проводник линии — наружная оболочка — подсоединяется к плоскому металлическому экрану. Их обычно используют в диапазонах частот, имеющих кратность 2—3; коэффициент направленного действия достигает 100 и более.

         Г. К. Галимов.

        

        Рис. 1. Плоские спиральные антенны: а — архимедова спираль; б — логарифмическая спираль.

        

        Рис. 2. Пространственные спиральные антенны: а — цилиндрическая; б — коническая; 1 — металлическая спираль; 2 — металлический экран; 3 — коаксиальная линия.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.

• Спирализация хромосом
• Спиральная камера гидротурбины

Полезное

Смотреть что такое «Спиральная антенна» в других словарях:

• СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА — антенна в виде провода, свёрнутого в спираль. Конфигурации спирали могут быть различными. Цилиндрич. С. а. излучает вдоль оси волны с круговой поляризацией. С. а. применяются на дециметровых волнах как широкополосные антенны осевого излучения,… …   Физическая энциклопедия

• Спиральная антенна — Типовая винтообразная антенна. B: центральная опора, C: коаксиальный кабель, E: подпорка для спирали, R: отражатель, S: спираль …   Википедия

• спиральная антенна — spiralinė antena statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. corkscrew antenna vok. Wendelantenne, f rus. спиральная антенна, f pranc. antenne hélicoïdale, f …   Radioelektronikos terminų žodynas

• Спиральная антенна — 395. Спиральная антенна Источник: ГОСТ 24375 80: Радиосвязь. Термины и определения оригинал документа …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА — антенна в виде металлич. цилиндрич., конич. или плоской спирали. Размеры витков и шаг намотки спирали подбирают так, чтобы излучение электромагн. волн каждым витком имело близкую к круговой поляризацию и требуемое направление максимума диаграммы… …   Большой энциклопедический политехнический словарь

• Спиральная антенна — 1. Антенна с вращающейся поляризацией, выполненная в виде металлической спирали Употребляется в документе: ГОСТ 24375 80 …   Телекоммуникационный словарь

• коническая спиральная антенна — Антенна, состоящая из проволочной конической спирали, питаемой коаксиальным фидером, оболочка которого может соединяться с плоским металлическим экраном (круглым или прямоугольным) играющим роль противовеса, а также служащим рефлектором. [Л.М.… …   Справочник технического переводчика

• Антенна —         устройство для излучения и приёма радиоволн. Передающая А. преобразует энергию электромагнитных колебаний высокой частоты, сосредоточенную в выходных колебательных цепях радиопередатчика, в энергию излучаемых радиоволн. Преобразование… …   Большая советская энциклопедия

• Радио-антенна — Антенна радиотелескопа РТ 7.5 МГТУ им. Баумана. РФ, Московская область, Дмитровский район. Диаметр зеркала 7,5 метра, рабочий диапазон длин волн: 1 4 мм Антенна устройство для излучения и приёма радиоволн (разновидности электромагнитного… …   Википедия

• ДИАПАЗОННАЯ АНТЕННА — антенна, осн. параметры к рой (диаграмма направленности, входное сопротивление и др.) не выходят из заданных пределов в широком диапазоне частот без к. л. перестроек. Д. а. на декаметровых и более коротких волнах Надененко диполь, ромбическая… …   Большой энциклопедический политехнический словарь

Спиральная антенна — это… Что такое Спиральная антенна?

Типовая винтообразная антенна.
B: центральная опора,
C: коаксиальный кабель,
E: подпорка для спирали,
R: отражатель,
S: спираль Покрашенная спиральная антенна для работы с Wi-Fi шлюзом на частоте 2,5 ГГц Первый телекоммуникационный спутник «Телстар» с винтообразной антенной.

Спира́льная антенна — диапазонная антенна бегущей волны, основным элементом которой является проводник в форме винтовой линии или спирали. Характерной особенностью спиральных антенн является их высокое входное сопротивление, позволяющее в ряде случаев без использования дополнительных согласующих трансформаторов привести его к 50 Ом для передачи по обычному коаксиальному кабелю. Применяется, как правило, для приёма и передачи на высоких частотах.

Классификация

Спиральные антенны подразделяют на пространственные и плоские^[1]. Пространственные спиральные антенны часто называют винтообразной антенной.

По принципу работы винтообразные антенны подразделяют по направлению излучения на антенны с поперечным излучением (NMHA — Normal-Mode Helical Antenna)^[2] и антенны с осевым излучением (AMHA — Axial-Mode Helical Antenna).

Винтообразные антенны с осевым излучением

Для работы в осевом режиме диаметр витков спирали должен быть порядка длины волны. Винтообразные антенны в осевом режиме предназначены для излучения и приёма электромагнитных волн с круговой поляризацией. Правая круговая поляризация используется^[3] для радиосвязи практически на всех орбитальных спутниках. Направление поляризации определяется направлением намотки спирали. Винтообразные антенны с осевым излучением характеризуются довольно узкой диаграммой направленности, приближённо равной:

где  — длина волны, C — длина окружности, N — число витков, S — шаг намотки спирали.

Винтообразные антенны с поперечным излучением

Для работы в режиме поперечного излучения диаметр витков спирали должен быть гораздо меньше длины волны. В зависимости от соотношения шага между витками и радиусом витка спирали при данной длине волны эллиптическая поляризация излучения может стремится к вертикальной, горизонтальной, или быть круговой. Диаграмма направленности аналогична обычному несимметричному вибратору. Данный тип антенн широко используется в портативных радио-коммуникационных устройствах, в том числе в мобильных телефонах.

Плоские спиральные антенны

Плоская спиральная антенна обычно состоит^[1] из двух спиралей, выполненных из проволоки или из фольги (например, по микрополосковой технологии), и расположенных центральносимметрично в плоскости антенны. Фидер подключают к этим плечам, аналогично подключению к симметричному вибратору. Рабочий диапазон антенны может превышать декаду^[1].

Примечания

См. также

Ссылки

Спиральная антенна для Wi-Fi и 3G своими руками

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! На диапазонах CDMA ее также можно использовать. Спиральную антенну в конце сороковых годов прошлого века изобрел Джон Краус (John Kraus, W8JK). Антенна  имеет круговую поляризацию, но может принимать как вертикально-поляризованную волну, так и горизонтально-поляризованную, усиление при этом снижается на 3 dB по сравнению с расчетным.

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. Рассчитать геометрические размеры антенны можно,  воспользовавшись онлайн калькулятором на нашем сайте . 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):

1. 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.
   
2. Присоединяем к рефлектору крепежный болт и N-коннектор. (вид сзади рефлектора)
   
3. 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.
   
4. 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.
   
5. 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.
   
7. 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.
   
8. 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…
   
9. 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:
   
10. 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. 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.

Расчет спиральной антенны 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…

---

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.

Вконтакте

Одноклассники

Facebook

Мой мир

 

Винтовая антенна (Helix Antenna)

Самая популярная спиральная антенна (спираль) — антенна бегущей волны в форме штопор, который производит излучение вдоль оси спиральной антенны. Эти спиральные антенны называются осевые спиральные антенны. Преимущества этой спиральной антенны в том, что она имеет широкую полосу пропускания, проста в сборке, имеет реальный входной импеданс и может производить поля с круговой поляризацией. Базовый Геометрия спиральной антенны показана на рисунке 1.

H — Общая высота спиральной антенны, H = NS .

Антенна на Рисунке 1 представляет собой спиральную антенну с левым концом, потому что если вы согнете пальцы левой руки вокруг спирали ваш большой палец будет указывать вверх (также волны, излучаемые этой спиральной антенной, имеют левую круговую поляризацию). Если бы спиральная антенна была намотана в другую сторону, это была бы правая спиральная антенна.

Диаграмма направленности будет максимальной в направлении + z (вдоль винтовой оси на рисунке 1).Дизайн спиральных антенн в первую очередь основывается на эмпирических результатах, и фундаментальные уравнения будут быть представлен здесь.

Спиральные антенны с минимум 3 витками будут иметь поляризацию, близкую к круговой в направлении + z, когда окружность C близка к длине волны:

После выбора окружности C вышеприведенные неравенства примерно определяют рабочий диапазон. полоса пропускания спиральной антенны. Например, если C = 19,68 дюйма (0.5 метров), затем самый высокий частота работы будет определяться наименьшей длиной волны, которая соответствует указанным выше уравнение, или = 0,75 C = 0,375 метра, что соответствует до частоты 800 МГц. Самая низкая частота работы будет дана самой большой длиной волны которое вписывается в приведенное выше уравнение, или = 1,333 C = 0,667 метра, что соответствует до частоты 450 МГц. Следовательно фракционная BW составляет 56%, что справедливо для осевых спиральных антенн в целом.

Спиральная антенна — это антенна бегущей волны , что означает, что ток проходит вдоль антенны. и фаза постоянно меняется.Кроме того, входной импеданс в основном реальный и может быть приблизительно в Ом:

Спиральная антенна хорошо работает при углах наклона () от 12 до 14 градусов. Обычно угол тангажа принят равным 13 градусам.

Нормированная диаграмма направленности для компонентов электрического поля определяется по формуле:

Для круговой поляризации ортогональные компоненты E-поля должны быть сдвинуты по фазе на 90 градусов. Этот происходит в направлениях, близких к оси (ось z на рисунке 1) спирали.В осевое отношение спиральных антенн уменьшается с увеличением количества витков N и может быть приблизительно выражено как:

Коэффициент усиления спиральной антенны может быть приблизительно равен:

В приведенном выше примере c — это скорость света. Обратите внимание, что для данной геометрии спирали (заданной в терминах C, S, N ) усиление увеличивается с увеличением частоты. Для спирали N = 10 витков, который имеет окружность 0,5 метра, как указано выше, и угол наклона 13 градусов (что дает S = 0.13 метров), усиление составляет 8,3 (9,2 дБ).

Для того же примера спиральной антенны диаграмма направленности показана на рисунке 2.

Рис. 2. Нормированная диаграмма направленности спиральной антенны (дБ).

Ширина луча половинной мощности для спиральных антенн может быть приблизительно выражена (в градусах) следующим образом:

---

Список антенн

Учебное пособие по антенне (домашняя страница)

Эта страница о спиральных антеннах (спиральных антеннах) защищена авторским правом. Никакая часть не может быть воспроизведена кроме как с разрешения автора.Авторское право antenna-theory.com, 2009-2011.

Четырехъядерный массив неоднородных спиральных антенн с высоким коэффициентом усиления

Мы представляем конструкцию четырехканального массива неоднородных спиральных антенн с высоким коэффициентом усиления. Конструкция получена путем оптимизации трехмерной численной модели четырех неоднородных спиральных антенн, размещенных над землей, включая модель питающей сети, с использованием метода моментов с базисными функциями более высокого порядка. Коэффициент усиления одной оптимальной неоднородной спиральной антенны может быть примерно на 2,5 дБ выше, чем коэффициент усиления однородной спиральной антенны той же осевой длины.Создание массива дополнительно увеличивает усиление примерно до 6 дБ. Результирующая четырехугольная матрица помещается в коробку, размеры которой являются длинами волн, а усиление в основном направлении излучения составляет около 20,5 дБи в диапазоне частот от 0,9 ГГц до 1,1 ГГц. Конструкция проверена измерениями на прототипе четырехъядерного массива.

1. Введение

Спиральные антенны известны более 70 лет [1]. Они получили широкое распространение благодаря своим характеристикам в осевом режиме излучения: волна с почти круговой поляризацией в достаточно широкой полосе частот и относительно простая структура.

В литературе представлены различные рекомендации по проектированию однородных и неоднородных спиральных антенн. Систематическое исследование с надежной процедурой проектирования геометрии однородных спиральных антенн представлено в [2].

Оптимально спроектированные неоднородные спиральные антенны имеют лучшие свойства, чем однородные спиральные антенны того же размера. Например, в [3] предлагается конструкция компактных неоднородных антенн, не имеющих заземляющего слоя или рефлектора, а коэффициент усиления которых превышает коэффициент усиления однородных антенн.Конструкция неоднородных спиральных антенн имеет больше степеней свободы по сравнению с конструкцией однородных спиральных антенн. Поэтому создание неоднородных спиральных антенн с желаемыми характеристиками является сложной задачей. Чтобы найти оптимальную конструкцию неоднородных спиральных антенн, можно использовать различные алгоритмы оптимизации. Сравнение используемых для этого алгоритмов оптимизации представлено в [4].

Входное сопротивление спиральных антенн составляет около 150 Ом.

Решетки спиральных антенн увеличивают усиление по сравнению с одной спиральной антенной той же осевой длины.Кроме того, регулируя геометрию массива или подавая элементы массива, можно достичь различных характеристик [1, 5, 6]. В частности, планарная решетка с элементами (квадратная решетка) уменьшает ширину главного луча диаграммы направленности в обеих главных плоскостях, обеспечивая хорошую симметрию вращения главного луча.

В общем, усиление одной оптимальной неоднородной спиральной антенны может быть примерно на 2,5 дБ выше, чем усиление однородной спиральной антенны той же осевой длины. Создание массива дополнительно увеличивает усиление примерно до 6 дБ.В качестве примера, используя программу WIPL-D [7], мы проанализировали четырехугольную решетку однородных спиральных антенн, представленную в [5]. Мы также разработали массив неоднородных спиральных антенн той же осевой длины (1,5 λ ), радиуса проволоки и проводимости. Мы установили, что усиление четырехугольной решетки оптимальных неоднородных антенн может быть примерно на 2,8 дБ выше, чем усиление решетки однородных антенн из [5].

В этой статье мы представляем конструкцию четырехъядерной решетки неоднородных спиральных антенн с высоким коэффициентом усиления со встроенной питающей сетью, которая согласовывает антенну с сопротивлением 50 Ом.Результирующая четырехугольная матрица помещается в коробку, размеры которой являются длинами волн, а усиление в основном направлении излучения составляет около 20,5 дБи в диапазоне частот от 0,9 ГГц до 1,1 ГГц.

Остальная часть статьи организована следующим образом. В разделе 2 определяется типовая геометрия рассматриваемой четырехъядерной решетки спиральных антенн и представлена ​​соответствующая модель. Раздел 3 описывает процедуры оптимизации и резюмирует оптимальные параметры геометрии антенны. В разделе 4 представлен изготовленный прототип массива квадратов.Раздел 5 проверяет представленную конструкцию путем измерений. Раздел 6 завершает статью.

2. Геометрия и базовая модель четырехкамерной решетки спиральных антенн

Спроектированная четырехканальная решетка спиральных антенн состоит из четырех идентичных (конгруэнтных) неоднородных спиральных антенн, как показано на рисунке 1. Антенны расположены над квадратной заземляющей поверхностью ( отражатель) стороны. Точки питания антенн расположены в вершинах квадрата стороны (рисунок 1 (а)). Центр решетки совпадает с центром отражателя.В базовой имитационной модели (рисунок 1 (b)) все антенны питаются от генераторов с одинаковым среднеквадратичным напряжением и синфазными. В окончательной модели также включена питающая сеть для элементов массива. Моделирование проводилось в программе WIPL-D.

Каждая спиральная антенна состоит из медного провода, изогнутого в виде спирали (спирали). Радиус проволоки составляет. Радиус и шаг витков спирали линейно изменяются вдоль антенны (т.е. радиус и шаг являются линейными функциями от осевой координаты). где и — радиус и шаг поворота в нижней части спирали (), соответственно, а и — радиус и шаг поворота в верхней части спирали (), соответственно (Рисунок 1 (а)).

Рабочая частота 1 ГГц; т.е. длина волны в свободном пространстве составляет около 300 мкм. Каждая антенна имеет длину 2,5 λ на частоте 1 ГГц, т.е. Радиус проволоки установлен на. Шероховатость поверхности увеличивает потери проволоки. Наш опыт показывает, что на частоте 1 ГГц этот эффект можно смоделировать, взяв проводимость провода в 2 раза ниже, чем у меди, т. Е.

Чтобы оценить расстояние, мы можем рассматривать пару спиральных антенн как однородную антенную решетку и оценивать соответствующий коэффициент решетки.Спиральные антенны в этом массиве уже директивные. Следовательно, роль фактора решетки должна заключаться в уменьшении ширины главного луча этих антенн. Интуитивно понятно, что первый нуль фактора массива должен попадать в этот главный луч.

Если слишком мало, то нулевое значение коэффициента решетки приближается к нулю диаграммы направленности спиральных антенн, эффект уменьшения ширины луча мал, и увеличение коэффициента усиления также невелико. С другой стороны, если оно слишком велико, направление нуля падает слишком близко к направлению максимального излучения спиральных антенн и получаются большие боковые лепестки.Следовательно, учитывая физические ограничения для заземляющего слоя, мы оптимизировали диапазон от 400 мм до 600 мм, как это будет объяснено в следующем разделе.

Поскольку WIPL-D может анализировать только отрезки прямолинейных проводов, каждый виток спирали радиуса моделируется квадратом, вписанным в круг с радиусом. Круг радиуса находится на полпути между вписанным кругом и описанным кругом квадрата. Это приближение незначительно изменяет смоделированный коэффициент усиления (менее 0.1 дБ) по сравнению с усилением антенны с круговыми витками или витками, аппроксимированными многоугольниками с очень большим количеством сторон. Это приближение сокращает время вычислений. Это также упрощает механическую конструкцию изготовленной антенны, что, в свою очередь, имеет относительно небольшое влияние на свойства антенны.

3. Процедура оптимизации и оптимальные конструкции

Оптимизация и проектирование антенн относятся к классу задач нелинейного программирования (НЛП). Переменные конструкции (оптимизации) ограничены, так как допустимые физические размеры антенной решетки ограничены.Следовательно, проблема дизайна — это проблема ограниченного НЛП.

Формально это можно записать как, где — функция оптимизации, — общее количество переменных оптимизации, — вектор переменных оптимизации, и — нижняя граница и верхняя граница, соответственно, th переменной оптимизации. Тогда оптимизационное пространство представляет собой гипер прямоугольник в -мерном пространстве, определяемом и,.

Функция оптимизации — это разница между целевым электромагнитным (ЭМ) откликом и полученным откликом при.Мы используем -норму для определения функции оптимизации. А именно, где — электромагнитный отклик антенны, а — целевое значение отклика. Таким образом, проектирование трансформируется в задачу нелинейного программирования, т. Е. В поиск минимума. Обратите внимание, что он должен быть больше максимально возможного, чтобы наилучший возможный дизайн был глобальным минимумом.

Чтобы максимизировать частичное усиление для круговой поляризации в основном направлении излучения на частоте 1 ГГц, мы оптимизировали геометрию массива квадратов, используя базовую модель, показанную на рисунке 1 (b).Были переменные оптимизации: (i) Радиус поворота в нижней части спирали () (ii) Радиус поворота в верхней части спирали () (iii) Шаг поворота в нижней части спирали () (iv) Шаг поворота на вершине спирали () (v) Расстояние между точками питания спиральных антенн ()

Оптимизационные переменные находились в следующих пределах: (i) (ii) (iii) (iv) (v)

Оптимизация проводилась с использованием комбинации случайного поиска, оптимизации роя частиц (PSO) [8, 9], симплексного алгоритма Нелдера-Мида [10 ] и градиентный алгоритм [11].

Результаты оптимизации показали, что было много неоптимальных решений; т.е. было несколько локальных минимумов функции оптимизации. Эти локальные минимумы были найдены путем многократных перезапусков алгоритмов локальной оптимизации: симплекса Нелдера-Мида или градиентного алгоритма. Отправной точкой для алгоритмов локальной оптимизации были решения, найденные путем многократных перезапусков PSO. Первоначальный рой PSO всегда генерировался с использованием случайного генератора с равномерным распределением.Решение, имеющее наибольшее частичное усиление, найденное оптимизацией, считалось глобальным оптимумом [4].

3.1. Оптимальный базовый проект

Для модели, показанной на рисунке 1 (b), несколько оптимизаций дали практически одинаковый результат для глобального оптимума: (i) (ii) (iii) (iv) (v)

Коэффициент усиления и осевое отношение оптимальной четырехъядерной решетки показаны на рисунке 2. Ширина полосы усиления, определяемая как полоса частот, в которой усиление составляет больше 20 дБи, составляет почти 25% (от 0.От 9 ГГц до 1,15 ГГц). В этом диапазоне осевое отношение меньше 1,4.

Кажущийся входной импеданс (то есть отношение напряжения и тока в точке питания спиральной антенны) приблизительно равен для всех четырех антенн в диапазоне частот от 0,9 ГГц до 1,15 ГГц.

На рис. 3 показана трехмерная диаграмма направленности оптимального массива квадратов на частоте 1 ГГц. Максимальное усиление в основном направлении излучения немного меньше 22 дБи. Отношение передней части к задней составляет 21 дБ. -Сечение в худшем случае () показано на рисунке 4.Самые большие боковые лепестки примерно на 11 дБ ниже усиления в основном направлении.

3.2. Оптимальный дизайн с питающей сетью

Дальнейшая оптимизация геометрии четырехъядерного массива была выполнена путем включения питающей сети, имеющей форму буквы H (рис. 5). Питающая сеть состоит из шести участков ЛЭП. Каждая секция состоит из медного провода, расположенного над отражателем (т. Е. Заземляющим слоем). Характеристический импеданс участков линии передачи, соединяющих пару соседних спиралей, равен, тогда как характеристический импеданс двух линий передачи в середине питающей сети равен, где.Участок, характеристический импеданс которого равен, преобразует импеданс одиночной спиральной антенны. Пары этих (преобразованных) импедансов соединены параллельно в точках и. Кроме того, импедансы в точках и преобразуются линиями передачи, характеристический импеданс которых равен. Наконец, два таких импеданса подключены параллельно в точке питания (точка на рисунке 5). Характеристические сопротивления и были выбраны таким образом, чтобы входное сопротивление в точке питания было как можно ближе к 50 Ом (т.е.е., хорошо согласован с системой 50 Ом) в диапазоне частот от 0,9 ГГц до 1,1 ГГц.

В модели, показанной на рисунке 5, характеристические импедансы и определяются высотой провода над отражателем и радиусами провода. Высота проволоки изначально была установлена ​​на 2 мм. Радиус проволочек, соединяющих пару соседних спиралей, составлял 0,3 мм, а радиус проволочек двух средних секций составлял 0,6 мм. Эти радиусы были выбраны потому, что они были коммерчески доступны.Для этих данных соответствующие характеристические сопротивления равны и.

Следующая цель заключалась в том, чтобы одновременно максимизировать частичное усиление для круговой поляризации в основном направлении излучения и минимизировать отражение в точке питания четырехъядерной решетки со встроенной сетью питания. Теоретически это задача оптимизации с двумя критериями. Однако критерии в нашем дизайне слабо связаны и не обязательно находятся в коллизии. А именно, геометрия и размещение неоднородных спиральных антенн влияют на усиление и входной импеданс каждой антенны, в то время как геометрия питающей сети влияет на преобразование импеданса и минимизирует коэффициент отражения.Питающая сеть практически не излучает, а значит, на прирост практически не влияет. По этим причинам мы решили объединить два критерия в единую функцию затрат для оптимизации, используя наш инженерный опыт для оценки относительных весов критериев. Мы организовали оптимизацию так, чтобы искать минимум функции стоимости. Оптимизация проводилась для того же набора переменных оптимизации, используя те же алгоритмы оптимизации, что и для базовой модели.Мы рассмотрели эквидистантно разнесенные частоты в диапазоне частот от 0,95 ГГц до 1,15 ГГц, что соответствует полосе пропускания ~ 20%. Функция стоимости была где — коэффициент отражения в точке питания антенны (точка на рисунке 5). Обратите внимание, что рассматриваемый частотный диапазон был выбран для учета сдвига частоты на 5% в сторону более низких частот из-за несовершенного монтажа проводов на несущей конструкции и влияния диэлектрика несущей конструкции. Поэтому мы ожидали, что последняя антенна будет работать в диапазоне от 0.От 9 ГГц до 1,1 ГГц. Оптимальные параметры антенны со встроенной питающей сетью оказались следующими: (i) (ii) (iii) (iv) (v)

Коэффициент усиления и осевое отношение оптимального четырехъядерного массива с питающей сетью показаны на рисунке 6. В этом случае полоса пропускания больше, так как оптимизация была выполняется в частотном диапазоне. Диапазон частот, в котором усиление превышает 20 дБи, составляет от 0,94 ГГц до 1,27 ГГц, что составляет почти 33% полосы пропускания. В этом диапазоне частот осевое отношение меньше 1.5.

Результаты моделирования для коэффициента отражения оптимального массива квадратов с питающей сетью показаны на рисунке 7. Эти результаты показывают, что мы можем получить хорошее совпадение оптимального массива квадратов с коэффициентом отражения ниже -9,3 дБ, в том же частотном диапазоне, в котором усиление превышает 20 дБи.

На рис. 8 показана трехмерная диаграмма направленности оптимального массива четырехугольников с питающей сетью на частоте 1 ГГц, а на рис. 9 показаны разрезы на частотах 1 ГГц и 1,1 ГГц.Представленные результаты по сравнению с результатами, представленными на рисунках 3 и 4, показывают, что влияние питающей сети на диаграмму направленности незначительно.

4. Прототип четырехъядерного массива

Чтобы проверить результаты моделирования, мы построили прототип четырехъядерного массива. Прототип состоит из четырех неоднородных спиральных антенн, заземляющей пластины и питающей сети. Четыре спиральные антенны были спроектированы так, чтобы они были идентичными. Однако были небольшие расхождения между антеннами из-за ручной намотки проводов.Таким образом, питающая сеть была спроектирована таким образом, чтобы обеспечить возможность независимого тестирования каждой спиральной антенны, пары соседних спиралей и всей четырехугольной решетки.

Несущая конструкция спиральной проволоки изготовлена ​​из акрилового стекла. Акриловое стекло было выбрано из-за его невысокой стоимости и достаточно низких потерь для представленной цели. Подставка из акрилового стекла показана на рисунке 10 (а). Он был сделан из трех точно вырезанных панелей из акрилового стекла (каждая толщиной 2 мм). Эти панели были соединены между собой двумя небольшими пластинами (с помощью нейлоновых шурупов) и склеены.Панели имеют большие отверстия для уменьшения их массы. Вдоль краев панелей в точных местах были вырезаны небольшие канавки, чтобы удерживать проволоку и поддерживать расчетный (оптимальный) радиус и шаг спирали (рис. 10 (б)). Антенна имеет нижний колонтитул, состоящий из четырех пластин из акрилового стекла толщиной 10 мм (рис. 10 (b)), который использовался для прикрепления опоры из акрилового стекла к заземляющей поверхности. Собранная неоднородная спиральная антенна показана на рисунке 10 (c).

Заземляющая пластина для массива квадроциклов была спроектирована и изготовлена ​​в виде квадратной алюминиевой пластины со стороной 1 м и толщиной 2 мм.Пластина имеет каркас из алюминиевых трубок для увеличения жесткости конструкции.

Сначала мы собрали отдельные спирали. Коэффициент отражения каждой спиральной антенны измерялся независимо. На рисунке 11 показаны коэффициенты отражения четырех спиральных антенн относительно номинального импеданса 150 Ом в диапазоне частот от 0,8 ГГц до 1,2 ГГц. Представленные результаты показывают, что импедансы спиралей подобны друг другу.

Линии передачи выполнены печатным способом в виде инвертированных микрополосковых линий.Поперечное сечение перевернутой микрополоски показано на рисунке 12, где, и. Microwave Office (MWO) [12] использовался для настройки характеристических сопротивлений инвертированных микрополосковых линий питающей сети. В этой модели использовались измеренные параметры рассеяния спиральных антенн. Оптимальный характеристический импеданс четырех перевернутых микрополосковых линий, подключенных к спиральным антеннам, оказался равным 156 Ом (), тогда как оптимальный характеристический импеданс оставшихся двух линий составил 87 Ом ().Результирующий входной импеданс массива квадратов на частоте 1 ГГц был вычислен как около.

Причина выбора инвертированной микрополосковой структуры заключалась в том, чтобы минимизировать влияние подложки FR-4 [13]. Механическая стабильность питающей сети была достигнута за счет вставки акриловых стеклянных прокладок между подложкой FR-4 и заземленной поверхностью, проходящей по краям подложки. Эта многослойная структура была прикреплена к заземляющей поверхности с помощью набора нейлоновых винтов, как показано на вставке к рисунку 13.

Полностью собранный прототип четырехъядерного массива с питающей сетью показан на рисунке 13.

Рисунок 14 показывает смоделированный коэффициент отражения (по отношению к 50 Ом) в точке питания всего четырехъядерного массива, включая спроектированная сеть питания.

5. Результаты измерений

Для экспериментальной проверки прототипа измерения проводились в лабораториях Идворского [14]. Камера полуэховая, но на полу были установлены дополнительные поглотители, чтобы уменьшить волну, отраженную от пола.С этими дополнительными поглотителями полуэховая камера напоминает полностью безэховую камеру. Антенна была расположена так, чтобы оси и на рисунке 8 были горизонтальными. Центр плоскости заземления решетки квадратов находился на высоте 1320 мм над полом камеры.

Коэффициент отражения на порте массива квадратов, измеренный с помощью векторного анализатора цепей (ВАЦ) Agilent E5061A, показан на рисунке 14. Коэффициент отражения (относительно 50 Ом) ниже -10 дБ на частоте диапазон от 0.От 81 ГГц до 1,17 ГГц; то есть коэффициент стоячей волны (КСВН) меньше 2.

Во-первых, мы измерили коэффициент передачи между четырехъядерной антенной и хорошо задокументированной антенной Вивальди собственного производства, обращенной друг к другу. Расстояние между землей четырехугольной решетки и кончиком антенны Вивальди составляло 1575 мм, так что антенна Вивальди находилась в ближнем поле четырехугольной решетки. Результаты для горизонтальной и вертикальной поляризаций электрического поля показаны на рисунке 15.Результаты моделирования и измерений для обеих поляризаций почти полностью совпадают на частоте 1 ГГц. Расхождение между результатами моделирования и измерений в диапазоне частот от 0,9 ГГц до 1,1 ГГц составляет менее 1,5 дБ.

Кроме того, для измерения диаграммы направленности четырехъядерной решетки использовались две установки (рис. 16).

Первая установка состояла из счетверенной решетки и антенны Вивальди (рис. 16 (а)). ВАЦ был подключен к обеим антеннам. Расстояние между антеннами 4020 мм.Коэффициент передачи был измерен и смоделирован в диапазоне от 0,95 ГГц до 1,1 ГГц. Сравнение измеренного и смоделированного коэффициента передачи, нормированного на максимальный уровень, для горизонтальной поляризации электрического поля показано на рисунке 17. Результаты для вертикальной поляризации электрического поля, т. Е. Для антенны Вивальди, повернутой на 90 градусов показаны на рисунке 18.

Во второй измерительной установке, показанной на рисунке 16 (b), генератор сигналов Rohde & Schwarz SML03 (уровень мощности которого составлял 0 дБмВт при 0.99 ГГц) была подключена к четырехъядерной матрице, а приемной антенной была антенна Teseq CLB 6144 BiLog. С помощью приемника электромагнитных помех Teseq SMR4503 измеряли электрическое поле на расстоянии 3000 мм. Результаты для уровня электрического поля, нормированного на максимальный уровень, показаны на рисунке 19.

Возникает вопрос, достаточно ли расстояний измерения 3000 мм и 4020 мм для получения действительных диаграмм дальнего поля для решетки квадратов. Чтобы ответить на вопрос, мы рассчитали (с помощью программы WIPL-D) электрическое поле в дальней зоне и на расстояниях 3 м и 4 м от массива квадратов.Мы сравнили нормированные электрические поля в этих случаях для разных углов. Для главного лепестка было получено почти идеальное согласие. Уровни основных боковых лепестков и большинства нулей были больше в модели ближнего поля. Однако мы сочли эти расхождения в допустимых пределах, в частности потому, что наше внимание было сосредоточено на главном лепестке и максимальном усилении антенны.

Из всех результатов, представленных в этом разделе, мы заключаем, что диаграмма направленности прототипа четырехъядерной матрицы очень похожа на разработанную.Коэффициент усиления в основном направлении излучения на частоте 1 ГГц составляет 21 дБи, тогда как в диапазоне частот от 0,9 ГГц до 1,1 ГГц коэффициент усиления составляет.

6. Выводы

В статье представлена ​​процедура расчета четырехканальной решетки неоднородных спиральных антенн с высоким коэффициентом усиления. Мы начали с оптимальной конструкции одиночной спиральной антенны. Кроме того, мы оптимизировали геометрию четырехъядерного массива идентичных спиральных антенн, используя различные алгоритмы оптимизации. Оптимальная геометрия массива квадратов была получена с помощью встроенной питающей сети, которая также использовалась для согласования порта массива квадратов с сопротивлением 50 Ом.Наконец, представленная конструкция была подтверждена измерениями изготовленного прототипа четырехъядерного массива. Коэффициент усиления разработанной четырехъядерной матрицы находится в диапазоне частот от 0,9 ГГц до 1,1 ГГц. В рассматриваемом диапазоне частот коэффициент отражения (относительно 50 Ом) меньше −12,4 дБ. Разработанный четырехъядерный массив помещается в коробку, размеры которой являются длинами волн.

Доступность данных

В статью включены полные данные о геометрии и материалах спроектированных и изготовленных четырехъядерных решеток неоднородных спиральных антенн с высоким коэффициентом усиления, используемых для подтверждения результатов этого исследования.

Раскрытие информации

Взгляды и выводы в этом документе принадлежат авторам и не обязательно отражают точку зрения DARPA.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации этой статьи.

Благодарности

Эта работа частично поддержана контрактом FA8650-16-C-7620 Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны.

Спиральная технология | Счетчик

Спиральная технология | Счетчик Перейти к основному содержанию

На главную> Технологии> Спиральные технологии

---

Спиральные антенны Tallysman ® разработаны для приложений, требующих высокой производительности и универсальности с абсолютным минимумом веса, таких как беспилотные летательные аппараты (БПЛА).

Технология четырехзаходной спирали (HC)

Tallysman ® включает точно настроенный спиральный антенный элемент с превосходным усилением и осевым отношением по всем углам возвышения и азимута, что помогает минимизировать многолучевость. Антенны оснащены слаботочными малошумящими усилителями (МШУ) со встроенным предварительным фильтром с малыми потерями для защиты от гармонических помех от мешающих сигналов большой амплитуды, обеспечивая высокое отношение сигнал / шум. Благодаря чрезвычайно малому весу и отличным характеристикам без заземляющего слоя, спиральные антенны Tallysman ® идеально подходят для приложений точного точечного позиционирования (PPP) и кинематики в реальном времени (RTK).

Семейство Tallysman Helical

Характеристики семейства спиральных антенн:

• Чрезвычайно легкий, от 5 до 42 г
• Новый спиральный антенный элемент, обеспечивающий отличное осевое отношение и подавление многолучевого распространения
• Широкое покрытие диапазона GNSS, включая услуги коррекции одиночного, двойного, тройного и L-диапазона
• Надежный, Пластиковый корпус военного класса со степенью защиты IP67.
• Усилитель с очень низким уровнем шума (LNA) в сочетании с предварительным фильтром
• Идеальная конструкция и производительность для приложений кинематики в реальном времени (RTK) и точного позиционирования (PPP)
• A сертифицированная модель Iridium
• Выбор корпуса и встраиваемые модели

Семейство спиральных антенн Tallysman®
Модель	Сигналы Поддерживается	Масса	по горизонтали Изменение фазового центра	Антенна Разъем	Крепление
HC600	Иридий	24 г	НЕТ	SMA	2 винта (2.5 мм)
HC600E		5 г		MCX	кольцо монтажное
HC771	L1, G1, E1, B1	24 г	± 3 мм	SMA	2 винты (2.5 мм)
HC771E		10 г		MCX	монтаж кольцо
HC871	L1 / L2, G1 / G2, E1, B1	29 г	± 3 мм	SMA	2 винта (2.5 мм)
HC871E		10 г		MCX	кольцо монтажное
HC872	L1 / L2, G1 / G2, E1, B1, Услуги коррекции L-диапазона	42 г	± 3 мм	SMA	3 винты (2.5 мм)
HC872E		12 г		MCX	монтаж кольцо
HC882	L1 / L2, G1 / G2 / G3, E1 / E5b, B1 / B2, Услуги коррекции L-диапазона	42 г	± 3 мм	SMA	3 винта (2.5 мм)
HC882E		12 г		MCX	кольцо монтажное
HC976	L1 / L2 / L6, G1 / G2, E1 / E6, B1 / B3, Услуги коррекции L-диапазона	42 г	± 3 мм	SMA	3 винта (2.5 мм)
HC976E		12 г		MCX	кольцо монтажное
HC977	L1 / L2 / L5, G1 / G2 / G3, E1 / E5ab, B1 / B2 / B2a, Услуги коррекции L-диапазона	42 г	± 3 мм	SMA	3 винта (2.5 мм)
HC977E		12 г		MCX	кольцо монтажное

Винтовая антенна | GSE | Решения для телематики и слежения

Спиральная антенна — это антенна, состоящая из проводящего провода, намотанного в виде спирали.В большинстве случаев спиральные антенны монтируются над заземляющим слоем. Линия питания подключается между нижней частью спирали и заземленной плоскостью. Спиральные антенны могут работать в одном из двух основных режимов — нормальном или осевом. В нормальном режиме или поперечной спирали размеры спирали (диаметр и шаг) малы по сравнению с длиной волны. Антенна действует аналогично электрически короткому диполю или монополю, а диаграмма направленности, аналогичная этим антеннам, является всенаправленной, с максимальным излучением под прямым углом к ​​оси спирали.Излучение линейно поляризовано параллельно оси спирали. В осевом режиме или спирали с торцевым пламенем размеры спирали сравнимы с длиной волны. Антенна функционирует как направленная антенна, излучающая луч с концов спирали вдоль оси антенны. Он излучает радиоволны с круговой поляризацией.

---

Связанное содержимое

Многополосные антенны

совместно с GSE (Global Satellite Engineering) рады объединить две очень умные спутниковые технологии, в которых размер, вес и передовая функциональность имеют решающее значение.

Автор: Шон Росберг 28 июня 2017 г.

Представляем линейку иридиевых спиральных антенн Topolino, а также самый маленький в мире интеллектуальный терминал на базе иридиума с возможностью программирования — GSatMicro OEM! Строительные блоки для спутниковой связи сделают ваш уникальный малый форм-фактор и энергоэффективные решения…

Линейка иридиевых спиральных антенн Topolino — один крошечный легкий радиатор из обработанной латуни с 4-мя компактными конструкциями антенн.Каждая антенна, основанная на диполе с круговой поляризацией, демонстрирует отличное соотношение осей при малых углах возвышения, что делает ее идеальной для сетей LEO.

Подробнее

Автор Эбби Кеннеди 14 февраля 2017 г.

На рынке довольно много спутниковых терминалов, которые поддерживают все стандартные функции, которые можно ожидать от устройства слежения.На протяжении многих лет инженеры Global Satellite Engineering (GSE) прислушивались к проблемам, возникающим у клиентов, и анализировали соответствующие технологические недостатки. Серия GSE GSatMicro была разработана, чтобы заполнить эти пробелы на рынке и превзойти отраслевые стандарты в следующих …
Подробнее

Автор: Тунде Финдикоглу 01 марта 2016 г.

GSatMicro — это мощный, небольшой, настраиваемый автономный трекер Iridium.Он передает информацию о местоположении, экстренные оповещения и другую специализированную информацию через свою ведущую в отрасли спутниковую антенну и электронные устройства, которые можно отслеживать и анализировать в режиме реального времени. Возможности конфигурации позволяют поддерживать любые ресурсы и типы информации, что позволяет использовать GSatMicro во многих различных приложениях. Возможность GSatMicro RockBLOCK …
Подробнее

Автор: Тунде Финдикоглу 15 декабря 2015 г.

GSatMicro — это мощный, небольшой, настраиваемый автономный трекер Iridium.Он передает информацию о местоположении, экстренные оповещения и другую специализированную информацию через свою ведущую в отрасли спутниковую антенну и электронные устройства, которые можно отслеживать и анализировать в режиме реального времени. Возможности конфигурации позволяют поддерживать любые ресурсы и типы информации, что позволяет использовать GSatMicro во многих различных приложениях. Возможность GSatMicro DELORME …
Подробнее

Автор: Тунде Финдикоглу 07 декабря 2015 г.

GSatMicro — это мощный, небольшой, настраиваемый автономный трекер Iridium.Он передает информацию о местоположении, экстренные оповещения и другую специализированную информацию через свою ведущую в отрасли спутниковую антенну и электронные устройства, которые можно отслеживать и анализировать в режиме реального времени. Возможности конфигурации позволяют поддерживать любые ресурсы и типы информации, что позволяет использовать GSatMicro во многих различных приложениях. Возможность GSatMicro NAL SHOUT …
Подробнее

Микроволны101 | Антенны Helix

Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу главную страницу, посвященную конструкции антенн

Щелкните здесь, чтобы узнать об убийцах дронов, использующих спиральные антенны

Новинка января 2018! Эта страница была написана и предоставлена ​​Адрианом из Франции, поэтому постарайтесь читать ее с французским акцентом.А еще лучше запустите видео Дебюсси ниже в качестве фоновой музыки, сочиненное примерно в 1890 году, когда ему еще не было 30 лет, и подумайте о своих многочисленных достижениях (или недостатках) в юности … Узнайте, как правильно произносить его имя здесь .

Клод Дебюсси, «Арабески»

Общие сведения

Антенны Helix не следует путать со спиральными антеннами. Плоские спиральные антенны излучают в обоих направлениях. Это непрактично для электромагнитной войны: мы хотим посылать электромагнитные волны врагу, а не нам! Трехмерные спиральные антенны могут излучать в одном направлении и являются широкополосными, но их коэффициент усиления невелик, поскольку только небольшая часть антенны активна для данной частоты.

Спиральная антенна — это антенна, состоящая из провода, намотанного в виде спирали поверх конечной заземляющей поверхности. Основные параметры спиральных антенн:

• r: радиус спирали
• C: окружность
• альфа: угол
• N: количество туров
• S: расстояние между витками
• h: общая высота
• r_reflector: радиус отражателя
• Левша или правша

Некоторые параметры не являются независимыми и связаны отношениями:

C = 2 ∙ π ∙ r, S = C ∙ tan⁡α, h = N ∙ S.

Спиральные антенны имеют два основных режима: нормальный режим, когда размеры малы по сравнению с длиной волны, и осевой режим, когда размеры аналогичны длине волны. Помимо этих двух желаемых режимов, могут возникать паразитные режимы.

Моделирование

Лучший способ понять спиральные антенны — это взять существующую спиральную антенну и смоделировать ее в очень широкой полосе пропускания. Эта антенна предназначена для диапазона ISM 2,4 ГГц, но мы увидим, что происходит на других частотах.

Геометрические параметры: r = 20 мм, h = 600 мм, N = 21 виток, радиус_провода = 1,5 мм. Моделирование выполняется с помощью решателя CST Microwave Studio TLM, fmax 6 ГГц, 10 ячеек на длину волны, граничные условия PML (идеально согласованный слой) на расстоянии 10 мм, снижение энергии на 40 дБ.

Решатель TLM (матрица линий передачи) был выбран потому, что он не только хорошо обрабатывает провода, но также позволит нам моделировать отклонения от теоретической конструкции, например диэлектрические опоры, в будущих версиях этой страницы.

Спираль нормального режима

@ 10 МГц	@ 200 МГц

Нормальный режим возникает, когда размеры спирали малы по сравнению с длиной волны: h << лямбда и C << лямбда. Такие антенны ведут себя как прямые диполи, но имеют большую эффективную длину, поэтому их легче согласовать. Обычно их используют для изготовления антенн для более низких частот.

На изображении ниже показаны диаграммы направленности в этом диапазоне. В диапазоне от 10 МГц до 100 МГц направленность почти идентична короткому диполю, в то время как направленность увеличивается с увеличением частоты. Обратите внимание, что этот график не включает потери на излучение и рассогласование, которые, как известно, высоки для коротких диполей. График пришлось перенормировать, потому что эффективность излучения была настолько низкой, что вносились численные ошибки!

На частоте 200 МГц (фиолетовый, самая большая кривая) диаграмма начинает отклоняться от диаграммы излучения чистого диполя.Это признак начала переходных режимов.

Шаблоны нормального режима

Антенны Rubber ducky работают в штатном режиме. Нет, это имя не мы придумали! В рациях часто используются спиральные антенны в нормальном режиме.

Искаженные моды

При переходе от чисто нормального режима к чисто осевому могут происходить интересные вещи. На частоте 300 МГц антенна имеет форму диаболо с нулем на радиальной оси. На частоте 1300 МГц форма прямая, с осевым пиком, но боковые лепестки слишком сильны для практического использования.

Диаграмма 300 МГц	Диаграмма 1300 МГц

На следующем рисунке показаны диаграммы направленности в этом диапазоне частот. Волнистая линия указывает направление, в котором указывает спираль (это не какой-то сумасшедший узор!)

Шаблоны искаженного режима

Обратные режимы

От 1500 МГц до 1700 МГц антенна излучает в обоих направлениях!

Шаблоны обратного режима

В этом случае этот эффект показывает зависимость от размера отражателя, как показано на следующих рисунках.Который мы скоро опубликуем!

@ 1500 МГц
r_reflector = 50 мм
@ 1500 МГц
r_reflector = 70 мм
@ 1500 МГц
r_reflector = 100 мм

@ 1600 МГц
r_reflector = 50 мм
@ 1600 МГц
r_reflector = 70 мм

r_reflector = 100 мм

@ 1700 МГц
r_reflector = 50 мм
@ 1700 MHz
r_reflector = 70 мм
@ 1700 MHz
r_reflector = 100 мм

При более близком рассмотрении корпус 1600 МГц / 50 мм:

В приемных приложениях вы не только получаете меньше сигнала из-за меньшего усиления в главном лепестке, но также получаете больше шума из заднего лепестка.В приложениях SATCOM, если ваша задняя доля направлена ​​к земле, а температура шума намного выше, чем у неба, вы получите много шума. При передаче приложений вы теряете мощность. В приложениях электромагнитной войны вы не только теряете мощность, но и атакуете свои собственные системы. Подумайте: насколько это было бы практично, если бы вместо антенны была пушка?

Этот эффект следует рассматривать как действительно опасный! Никогда и никогда не используйте спиральную антенну за пределами ее диапазона, не проверив дважды фактическую диаграмму излучения.

Спираль осевого типа

В этом режиме антенна излучает вдоль своей главной оси. Поляризация круговая.

1800 МГц	1900 МГц

Ниже приводится сводка осевых мод по частотам. Чистые диаграммы излучения, больше нечего сказать! Это то, что вам нужно для приложений с направленной энергией, таких как скремблер БПЛА.

Модели осевого режима

График направленности в зависимости от частоты показывает, что направленность сначала увеличивается с увеличением частоты, а затем внезапно уменьшается, прежде чем антенна внезапно перестает работать.Снижение направленности на высоких частотах — явный признак того, что происходит что-то не так.

Зависимость направленности от частоты в осевом режиме

Обратите внимание, что соотношение между минимальным и максимальным значениями составляет примерно 1,7. Это не совпадение. Это почти фундаментальный закон.

Моды высшего порядка

От ~ 3100 МГц до 6000 МГц картина меняется от уродливой к уродливой. У нас есть полный набор графиков каждые 100 МГц, спросите, хотите ли вы их. На 3100 МГц боковая нагрузка уже выше главного лепестка.

3100 МГц. Боковой лепесток выше главного

5000 МГц. Нулевой на оси.

В режимах более высокого порядка антенна излучает, но не совсем там, где вы хотите! Обратите внимание, что входной импеданс не очень сильно отличается от значения, ожидаемого для таких антенн, поэтому этот эффект может быть неожиданным, если антенна тестируется только на анализаторе цепей.

Импеданс в зависимости от частоты

Расчетные уравнения для осевого режима

Антенна хорошо работает когда:

Это приводит к соотношению fmax / fmin 1,8, что довольно близко к эксперименту. В этом режиме входной импеданс является приблизительно реальным и приблизительно равен:

В сочетании с предыдущим уравнением:

Что, опять же, очень близко к тому, что видно в симуляции.

Поскольку импеданс имеет некоторую дисперсию в рабочем диапазоне и не является чисто реальным, импеданс может быть просто аппроксимирован как 140 Ом на первом этапе проектирования.У вас есть гораздо более серьезные проблемы, такие как механическое строительство.

Согласование импеданса спиральной антенны

Первый и самый важный шаг при решении проблемы — это задать простой вопрос: «Что произойдет, если я абсолютно ничего не сделаю?» Давайте посчитаем потери рассогласования (ML) в системе с сопротивлением 50 Ом:

Потери рассогласования в 50 Ом

Обратите внимание, что потеря рассогласования может не раскрыть полную картину. При передаче, если усилитель мощности обнаруживает плохое согласование, эффекты нагрузки могут заставить вас пожелать, чтобы у только были потери рассогласования… но вы можете обойти эту проблему с помощью ферритового изолятора.

В технической терминологии решение «ничего не делать» — отстой, но в некоторых случаях может быть приемлемым. Второй вопрос: «Какое самое простое решение для моей проблемы?» Не могли бы мы просто сопоставить с сопротивлением 140 Ом?

Потери рассогласования на 140 Ом

Если вы согласовываете с сопротивлением 140 Ом, ваши потери рассогласования будут ниже 0,4 дБ на всем диапазоне. Это вполне приемлемо, поэтому мы будем его придерживаться. Итак, давайте запишем это эмпирическое правило:

Микроволны101 Практическое правило!

Для большинства практических целей спиральная антенна с осевым режимом имеет входное сопротивление 140 Ом.Если вам нужна более высокая точность, не забывайте мнимую часть и слушайте свой ЭМ симулятор.

Давайте подберем спиральную антенну. Во-первых, вспомним непревзойденный S11:

.

Первая попытка простого четвертьволнового согласования с сопротивлением 140 Ом на центральной частоте (2, 4 ГГц, 90 °, Zl = 84):

Неплохо, но можно немного улучшить. После оптимизации:

Параметры согласующей линии: f0 = 2,4 ГГц, l = 0,2 λ, Zl = 89 Ом.Линия немного короче и с большим сопротивлением, что типично для емкостных нагрузок.
А с двумя строками:

Практически идеально. Дальше было бы доить мышь. Параметры: l1 = 0,27, Zl1 = 78 Ом, l2 = 0,14, Zl2 = 151 Ом. Здесь мы видим потенциальную проблему: 151 Ом — большое сопротивление, у нас могут быть проблемы.

Следующий шаг — реализовать это в реальной цепи, а не в идеальных линиях передачи. Один из способов сделать это — перевести предыдущие электрические значения в физические величины, но мы ленивы.Мы просто запускаем оптимизатор. Единственной мерой предосторожности было установить начальную длину линий примерно на 90 °, чтобы оптимизатор быстро сходился. Результаты показаны здесь:

Обратите внимание на сходство двух кривых. Это не совпадение.

Мы решили сделать эту согласующую схему на FR4. «Ты не в своем уме ?» Нет! Во-первых, FR4 не так плох, как мы думаем, особенно на низких частотах. Во-вторых, он обладает очень желательными качествами: он очень распространен, прост в изготовлении и механически прочен.Параметры подложки: er = 4,3, tg_delta = 0,013, h = 1,6 мм. Результаты оптимизатора: l31 = 18,6 мм, w31 = 1,32 мм, l32 = 10,7 мм, w32 = 0,16 мм. Здесь мы видим потенциальную проблему, напрямую вызванную потребностью в высоком импедансе: последняя линия довольно тонкая. Он не справится с мощностью нового усилителя мощности, который вы получили на Рождество.

На следующем рисунке показана фактическая мощность, поступающая на антенну, при доступной мощности на входе 1 Вт. Это полная эффективность согласующей сети, включая отраженную мощность и мощность, потерянную в согласующей сети.В переводе в дБ это -0,4 дБ. Что вы сказали о FR4?

КПД согласованной антенны

[ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ]

Список литературы

http://www.antenna-theory.com/antennas/travelling/helix.php

Что такое спиральная антенна?

http://cdn.everythingrf.com/live/helical_antennas_1.jpg712370

Спиральная антенна — это специализированная антенна, которая считается гибридом рамочной и дипольной антенн.Он состоит из токопроводящей проволоки, намотанной в виде спирали. Спиральные антенны обычно устанавливаются на плоскости заземления, а фидер подключается между нижней частью спирали и плоскостью заземления.

Спиральные антенны обычно поддерживают широкую полосу пропускания по сравнению с другими типами антенн. Стороннему наблюдателю они кажутся одной или несколькими «пружинами» или спиралями, установленными на плоском отражающем экране. Эти антенны излучают и реагируют на электромагнитные поля с круговой поляризацией.

Эти антенны работают в одном из двух режимов: нормальный режим и осевой режим . В нормальном режиме диаметр и шаг спирали малы по сравнению с длиной волны. В результате работа аналогична короткому электрическому монополю или диполю. Излучение будет линейно поляризовано параллельно оси антенны, при этом максимальное излучение будет иметь место под прямым углом к ​​оси спирали. Этот режим / конфигурация имеет узкую полосу пропускания и низкую эффективность.Они используются для компактных антенн для портативных и мобильных двусторонних радиостанций, а также для антенн УВЧ телевизионного вещания.

В осевой моде диаметр и шаг спирали сопоставимы с длиной волны. В этом случае он функционирует как направленная антенна. В отличие от нормального режима, простые решения для определения свойств излучения в случае осевого режима недоступны. В результате для осевого режима используются экспериментально определенные численные и аналитические методы для определения этих факторов.Этот режим / конфигурация часто используется наземными станциями в системах спутниковой связи.

Спиральные антенны обычно соединяются вместе в так называемые отсеки из двух, четырех или иногда более элементов с общим отражателем. Вся сборка может вращаться в горизонтальной (азимутальной) и вертикальной (возвышение) плоскостях, поэтому система может быть нацелена на конкретный спутник. Если спутник не находится на геостационарной орбите, вращатели азимута и возвышения можно запрограммировать так, чтобы они следовали за курсом спутника по небу.

все, что RF создала также поиск спиральных антенн. Щелкните здесь, чтобы найти спиральные антенны от ведущих производителей.

Проектирование и испытание спиральных антенн для ВЧ испытательной установки

Абстрактные

Оборудование

RF необходимо для точного и систематического тестирования нескольких типов электронных устройств в электромагнитно тихой среде. Типичные радиочастотные объекты состоят из безэховой камеры, помещения, которое экранирует все, что находится внутри, от внешнего электромагнитного излучения и предотвращает внутренние отражения распространяющихся электромагнитных волн, а также всего необходимого передающего и приемного оборудования, необходимого для радиочастотных испытаний.Требования для этого конкретного проекта предусматривали электромагнитные испытания в диапазоне от 500 МГц до 4 ГГц. Спиральные антенны были выбраны в качестве основного излучающего элемента из-за их круговой поляризации. Дополнительным преимуществом спиральных антенн является то, что их высокий коэффициент усиления сводит к минимуму количество потребляемой мощности, необходимой для достижения заданного уровня напряженности поля на определенном расстоянии. Чтобы охватить этот частотный диапазон с высоким коэффициентом усиления, вокруг промышленных трубопроводов из ПВХ были изготовлены 5 классов спиральных антенн.Из-за высокой диэлектрической проницаемости ПВХ бегущая электромагнитная волна распространяется через ПВХ с меньшей скоростью, чем по воздуху. Повышенная относительная диэлектрическая проницаемость ПВХ изменяет мгновенное распределение заряда по длине спирали, что снижает рабочую частоту антенны, поскольку возникают моды более низкого порядка. В этой статье анализируется влияние диэлектрической нагрузки на спиральные антенны и представлено новаторское изменение конструкции, которое компенсирует нагрузку.Традиционные методы проектирования будут сравниваться с новыми методами оптимизации Университета Миссури-Колумбия. Увеличение полосы пропускания антенн достигается с помощью методов согласования импеданса. Для просмотра двумерных диаграмм диаграммы направленности антенны в дальней зоне был сконструирован полностью составной поворотный стол, который управляется специальной программой LabVIEW. Программа LabVIEW упрощает тестирование антенн за счет автоматического управления поворотным столом, анализатором спектра в реальном времени и генератором сигналов в зависимости от настроек пользователя.Затем программа LabVIEW автоматически вычисляет и строит график усиления антенны, обрабатывая мощность принятого сигнала с помощью программы MATLAB, обе из которых были написаны собственными силами. Были сконструированы два разных типа антенн: традиционная спираль с воздушным сердечником и спираль с диэлектрическим наполнением, намотанная с использованием нового метода оптимизации. И традиционная антенна, и оптимизированная антенна, диэлектрически нагруженная куском ПВХ, были отправлены для коммерческой проверки. Эти результаты затем сравниваются с результатами испытаний Университета Миссури с использованием недавно построенного радиочастотного объекта.Было показано, что оптимизированный метод MU эффективен для компенсации диэлектрической нагрузки в спиральных антеннах по сравнению с традиционными методами проектирования, и что результаты его собственных методов тестирования хорошо согласуются как с коммерческими измерениями, так и с симуляциями CST.

Права

OpenAccess.

Это произведение находится под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 License.

.