Въведение
Сегашното състояние на радиокомуникационната технология не може да се представи без спираловидни антени. Този тип антенни системи се използват поради характерните си качества: широколентова, елиптична поляризация на полето с малки размери и проста конструкция.
Спиралните антени се използват както самостоятелно, така и като елементи на антенна решетка, захранваща например огледална антена, което добавя насоченост към предимствата на спиралните антени.
Поради свойството на елиптична поляризация, спиралните антени са намерили приложение в космическите комуникационни технологии, тъй като в някои случаи поляризацията на получения сигнал може да бъде произволна, например от обекти, чиято позиция в пространството се променя или може да бъде произволна (тези обектите могат да бъдат: самолети, ракети, сателити и др.)
В радара антените с въртяща се поляризация позволяват да се намалят смущенията, създадени от отражения от валежите и от земната повърхност, поради факта, че посоката на вектора на напрегнатост на електрическото поле е обърната.
Поле с въртяща се поляризация може да се използва и когато една и съща антена работи за предаване и приемане, за да се увеличи изолацията между каналите (в този случай излъчените и получените полета трябва да имат противоположна посока на въртене).
В момента спираловидните антени се използват широко като антени за персонални комуникационни устройства. Значителна част от мобилните телефони, магистралните устройства и мобилните радиостанции съдържат в конструкцията си спирални антени, работещи в режим, перпендикулярен на оста на излъчване.
В момента ще проуча диаграмите на излъчване на плоски спирални и цилиндрични SA, ще анализирам зависимостта им от дължината и ще проследя промяната в посоката при промяна на параметрите на антената. Също така сравнете характеристиките на SA една с друга и с други видове антени.
В началото на всеки раздел се взема определен тип КА. И по-нататък ще бъдат резултатите от компютърния анализ за различни режими и видове. Всички изчисления и чертежи ще се извършват в програмата MathCAD 2001i.
Предвижда се в приложенията да се включат програми за най-простото изчисляване на характеристиките на спирална антена.
Характеристика на теорията на SA е сложността на изчисляване на полето на антената.
От различните конструкции на лентови антени с елиптична поляризация най-широко използваната е спиралната антена, предложена от Краус през 1947 г., и нейните различни модификации.
За да могат да се изчислят изброените характеристики и параметри на SA в широк честотен диапазон, е необходимо да се установи зависимостта на фазовите скорости на токовите вълни, разпространяващи се спираловидно по проводника, от геометрията и честотата на напрежението вълнуващи спиралата.
Много работи са посветени на изчисляването на фазовата скорост на токова вълна, разпространяваща се по спирална жица и установяване на зависимостта на фазовите скорости от геометрията и честотата на напрежението, възбуждащо спиралата; първият опит за решаване на този проблем принадлежи на Поклингтън, който през 1897 г., след като реши проблема за определяне на фазовата скорост на електромагнитна вълна, разпространяваща се по прав проводник и по протежение на пръстен, се опита да разгледа въпроса за разпространението на електромагнитна вълна по спирала. Той успя да направи това в редица специални случаи. Освен отделни работи в тази посока, свързани с разпространението на електромагнитни вълни в намотки, интересът към тази тема възниква в края на 40-те години във връзка с широкото използване на спиралите като забавящи структури.
Глава 1. Видове спирални антени
1.1 Видове спирални антени
Сред различните видове широколентови антени важно място заемат различните спирални антени. Спиралните антени са ниско- и средно насочени широколентови антени с елиптична и контролирана поляризация. Използват се като независими антени, възбудители на вълноводни рупорни антени с елиптична и контролирана поляризация и елементи на антенни решетки.
Спиралните антени са антени с повърхностни вълни. Въз основа на вида на ръководството (системата за забавяне) и метода за осигуряване на работа в широк честотен диапазон те могат да бъдат разделени на:
· цилиндрични правилни, при които геометричните параметри (стъпка, радиус, диаметър на проводника) са постоянни по цялата дължина и широколентовостта се дължи на наличието на дисперсия на фазовата скорост;
· равноъгълни или честотно независими (конични, плоски);
· неправилна, която включва всички останали видове спирални антени.
Фиг.1.1. 3 Антени с неправилна спирала:
a – бемол с постоянна стъпка на навиване (Архимедов);
b – конична с постоянна стъпка на навиване;
c – върху повърхността на елипсоид на въртене с постоянен ъгъл на навиване.
 |
Фиг.1.1.4 Неправилна цилиндрична спирална антена (с променлива стъпка)
В зависимост от броя на проходите (разклоненията) и начина на навиване спиралните антени могат да бъдат едно- или многопроводни с едностранно или двустранно (контра) навиване.
Липсата или наличието на допълнително забавяне на фазовата скорост и методът на нейното прилагане позволяват да се разделят спиралните антени на следните видове:
· от гладка тел в хомогенен диелектрик (въздух),
· от проводник със собствено забавяне (импедансни спирални антени),
· от тел със собствено забавяне и с диелектрик (импедансни спираловидно-диелектрични антени).
 |
Ориз. 1.1.5 Helix антени с допълнително забавяне:
a – импеданс;
b,c – спираловидно-диелектрични;
d – импедансна спирала-диелектрик.
Едно от основните свойства на спиралните антени е способността им да работят в широка честотна лента с коефициент на припокриване от 1,5 до 10 или повече. Всички спирални антени са антени за пътуваща вълна, но едно обстоятелство само по себе си не определя работата на спиралните антени в честотния диапазон с такъв коефициент на припокриване.
Работата на еднопроходни редовни цилиндрични спирални антени и техните модификации в честотния диапазон е възможна поради техните дисперсионни свойства, поради което в широк честотен диапазон фазовата скорост на полето по оста на спиралата е близка до скоростта на светлината, отражението от свободния край на спиралата е малко, дължината на вълната в спиралния проводник е приблизително равна на дължината на оборота.
При многопроводните цилиндрични спирални антени работният обхват се разширява допълнително поради потискането на най-близките по-ниски и по-високи типове вълни в тях, изкривявайки диаграмата на излъчване на основния тип.
Спиралните антени с еднопосочна намотка излъчват поле с елипсовидна, близка до кръгова, поляризация. Посоката на въртене на вектора на полето съответства на посоката на навиване на спиралата. За получаване на линейна и контролирана поляризация се използват спирални антени с двустранна (контра) намотка.
Фиг.1.1.6. Равноъгълни спирални антени с двустранна (насрещна) намотка: а – конична четирипроводна; b – плоски трипътни.
Формата на независимите от честотата (плоски и конични равноъгълни) спирални антени се определя само от ъглите. Всяка дължина на вълната в рамките на работния диапазон съответства на излъчваща секция с постоянна форма и постоянни електрически размери. Следователно ширината на диаграмата на излъчване и входният импеданс остават приблизително постоянни в много широки честотни диапазони (10:1 ... 20:1).
За да се получи еднопосочно излъчване с елиптична поляризация в по-малки честотни диапазони (2:1 ... 4:1), не е необходимо стриктно да се поддържа формата на антената в съответствие с условието за честотна независимост. Ако по време на прехода от една дължина на вълната към друга формата и електрическите размери на излъчващия елемент се повтарят поне приблизително, антената работи в честотния диапазон с по-малко постоянство на характеристиките и параметрите. След това е възможно да се конструира много широко семейство антени, които не са строго подчинени на принципа на честотна независимост, под формата на единични или многонишкови спирали, навити (според различни закони на навиване) върху различни повърхности на въртене. Понякога такива антени се наричат квазичестотно независими.
Квазичестотно независимите спирални антени за получаване на контролирана и линейна поляризация също се изработват с двустранна намотка. За получаване на контролирана, линейна и кръгова поляризация могат също да се използват различни (цилиндрични, равноъгълни и т.н.) спирални антени с двойна нишка.
Фиг.1.1.7. Квазичестотно независими спирални антени с двустранна (насрещна) намотка и постоянна стъпка: а – конична четирипроводна; b – полусферичен четирипътен; в – елипсоидален четирипосочен.
3.1. В процеса на развитие на радиотехниката все повече се изискват антенно-фидерни устройства, проектирани да работят в много широк честотен диапазон и освен това без никаква настройка. Честотната независимост на такива антенно-фидерни устройства се основава на принципа на електродинамичното подобие.
Този принцип е, че основните параметри на антената (модел и входен импеданс) остават непроменени, ако промяната в дължината на вълната е придружена от правопропорционална промяна в линейните размери на активната област на антената. Ако това условие е изпълнено, антената може да бъде честотно независима в неограничен вълнов диапазон. Въпреки това, размерите на излъчващата структура са ограничени и обхватът на работните вълни на всяка антена също е ограничен.
От тази група антени ще разгледаме плоски аритметични и равноъгълни спирали и логаритмично периодични антени.
Фиг.4.
3.2. Аритметичната спирала е направена под формата на плоски метални ленти или прорези в метален екран (фиг. 4). Уравнението на тази спирала в полярни координати
където е радиус-векторът, измерен от полюса O; a е коефициент, характеризиращ увеличението на радиус вектора за всяка единица увеличение на полярния ъгъл; b е началната стойност на радиус вектора.
Спиралата може да бъде двупосочна, четирипосочна и т.н. Ако спиралата е двупосочна, тогава за лентата (слота) /, показана с пунктирани линии, ъгълът се брои от нула, а за лентата //, показани с плътни линии, от 180°, т.е. спиралата е образувана от напълно еднакви ленти, завъртяни на 180° една спрямо друга.
Началните точки на лентата / съответстват на радиус вектори, които означаваме с и. Следователно, ширината на лентата. След като описа едно завъртане, лентата заема позиция D, в която радиус-векторът е по-голям от първоначалния. На този сегмент ВD се поставят две ленти и две празнини и ако ширината им е еднаква, тогава Оттук определяме коефициента.
3.3. Спиралното захранване може да бъде противофазно, както на фиг. 4, или във фаза. В първия случай токовете през клеми A, B, свързващи лентите към захранващото устройство, имат противоположни фази. Текущият път в лентата / е по-голям от този в лентата // с половин оборот. Например, в секцията CD, лентата // пада, описвайки половин оборот, а лентата / - един оборот, в секцията EF - съответно един и половина и два оборота и т.н. Тъй като дължината на оборотът се увеличава с разгъването на спиралата, разминаването на фазата на токовете в лентите се увеличава. След като посочихме средния диаметър на завоя, намираме фазовото изместване, съответстващо на дължината на половин завой:
Ако добавим към това първоначална промяна, равна на
Поради втория член ъгълът е различен от и при такива условия се излъчват електромагнитни вълни, дори ако разстоянието между лентите е малко в сравнение с дължината на вълната.
Само тази част от спиралата излъчва интензивно, в която токовете на съседните елементи на двете ленти са във фаза:
Замествайки, откриваме, че средният диаметър на първия „резонансен“ пръстен и периметърът на този пръстен Средният диаметър и периметърът на втория (. k=2), трети ( k=3) и т.н. “резонансните” пръстени са съответно три, пет, ... пъти по-големи. Тъй като излъчването на радиовълни от спирала причинява голямо затихване на тока от началото до края му, тогава само първият резонансен пръстен излъчва интензивно, а останалата, външната част на спиралата, е сякаш „отрязана“ (явлението на прекъсване на излъчващите токове).
3.4. Активната част на спиралата е от най-голям интерес по друга причина. Затихването на тока, причинено от радиация, е толкова голямо, че практически няма отражение от края на спиралата, т.е. токът в спиралата се разпределя според закона на бягащите вълни. Освен това периметърът на първия резонансен пръстен е равен на дължината на вълната. При такива условия, както е показано в параграф 1, възниква аксиално излъчване с въртяща се поляризация, което в този случай е най-желателно.
Диаметърът на спиралата трябва да бъде достатъчно голям, така че при максималната вълна от обхвата първият „резонансен“ пръстен () да се запази и с намаляването на дължината на вълната този пръстен трябва да се свие до (), докато все още може да бъде напълно поставен около захранващия блок. След това вътре съотношението на средния периметър на първия "резонансен" пръстен към дължината на вълната остава постоянно и по този начин основното условие за поддържане на насочените свойства на антената в широк вълнов диапазон е изпълненоВярно е, че посоката на аритметичната спирала е малка (60 ... 80 °), тъй като по същество само тази част от спиралата, която има среден периметър, участва в излъчването на вълни.
Второто условие за получаване на обхватна антена - постоянството на входния импеданс - тук се постига от факта, че спиралата работи в режим на движеща се токова вълна. Това съпротивление е активно (100-200 ома). Когато се захранва от коаксиално захранващо устройство (Ohm), съвпадението се извършва с помощта на стъпков или плавен трансформатор.
3.5. Спиралата се излъчва от двете страни на оста си. За да се направи антената еднопосочна, върху дебела диелектрична плоча се поставя лентова спирала, чиято друга страна е метализирана. Ако спиралата е нарязана, тогава тя се изрязва на стената на метална кутия; тогава противоположната стена на кутията играе ролята на отразяващ екран, а самата кутия е резонатор. За да се намали дълбочината му, кутията е пълна с диелектрик.
Една от типичните спирали е с диаметър 76 mm, направена е върху епоксидна диелектрична плоча, оборудвана е с резонатор с дълбочина 26 mm, работи във вълновия диапазон от 7,5 ... 15 cm с ширина на радиационната диаграма 2" = 60 ... 80 ° и коефициентът на елиптичност в посока на максимума на главния лоб е по-малък от 3 dB, т.е. поляризацията може да се счита за практически кръгова. Плоските спирални антени могат да бъдат удобно произведени чрез отпечатване върху тънки листове диелектрик с ниски загуби при високи честоти.
Реших да отделя този коментар, който ще дам по-долу в текста, като отделна статия. Неговият автор излезе със спирална антена, която при най-лошите условия на приемане осигури работата на два телевизора едновременно, без усилватели или сплитери. Той нарече своя дизайн BISPIRAL, въпреки че това име вече се комбинира с двойна спирална и две спирални антени, които са представени в различни версии и за различни функционални цели. От горния пример обаче ще разберете, че това е нещо друго, което все още трябва да измисли име.
БИСПИРАЛ
Продавачът обезсърчи хората да купуват DVB-T2 приемник: „Ако го върнете, няма да бъде уловен при нас!“ Между извора и моя град има 35 км. Разстоянието не е заплашително, но три електропровода - 500 и 750 електропровода са източници на смущения. Освен това директният сигнал е блокиран от хълм с гъсти сгради от 16-етажни сгради.31-ви (551 MHz) и 51-ви (714 MHz) честотни канали.
Първата, която беше произведена и тествана, беше антена с два пръстена. Тя помогна да се намери единственият вариант за посоката на приемане, показа „проблясъци“ на телевизионен сигнал, отразен под остър ъгъл от девететажна сграда, разположена вполовин километър.
Направих 7-оборотна спирална антена, предназначена за канал 31. Рамката се основава на 4 броя полипропиленова водопроводна тръба (малка допирателна!), за квадратна спирала - едножилен меден проводник с напречно сечение 4 квадратни метра. мм във винилова изолация, петметров кабел. Резултатът беше доста задоволителен, надежден прием и на двата пакета. Опитах се да направя подобна антена според размерите на канал 51 (714 MHz), резултатът е, че не „хваща“ канал 31. От това заключих: изчисляването на спирална антена трябва да се извърши на нискочестотен канал. Заключение номер две: широколентовият диапазон на една спирална антена се определя от нейния дизайн (както твърди Карл Ротхамел), а не от диаметъра на намотаната жица.
Всичко беше супер до момента, в който жена ми поиска да има и телевизор в кухнята. Проблем е сериозното разстояние (плюс 13 метра) на високочестотно предаване на сигнала. Използването на рак, както и включването на приемниците във „влак“ не доведоха до резултати. Тествах три модела SWA усилватели, при най-добрите от тях интензитета на сигнала се увеличи от 70 на 90, но в далечния диапазон нямаше никакво качество! Отделно приемниците с тази антена осигуряваха надеждно приемане и на двата пакета.
Изграждането на втора антена означава затрупване на балкона...
Решението дойде. Ами ако подредим втора спирала върху същата рамка, като поставим завоите между завоите на първата? Казано – сторено, ревизията беше завършена за 1,5 часа. Резултатът е прекрасен! За втората спирала използвах тел със сребърна екранирана намотка. Интензитетът и качеството на сигналите на далечния (!) приемник се увеличи с 15 точки. Влиянието на приемниците един върху друг с такава антена не беше забелязано.
Известно е, че когато се добавят сигнали от две спирали, интензитетът на сигнала се удвоява. Не съм опитвал да свързвам спирали, но би било интересно. Също така е интересно да опитате четири спирали върху обща рамка...
Надявам се, че тази информация ще бъде полезна и удобна за любознателните!
P.S. Ако имаше бутон "вмъкване на изображение", щях да прикача снимка.
Е, сега – моят изход.
Трудно е да не се съгласим, че тази информация е много необходима. Можем само да съжаляваме, че ресурсът на този блог не предоставя придружаващи коментари със снимки. И самият коментар не се появи веднага, но го намерих случайно в кулоарите на блога и го притиснах на правилното място само две седмици по-късно.
Веднага по време на коментара ще поясня, че при добавяне на две спирали, подобно на други антени с насочени свойства, общото им усилване се увеличава само с 3 dB, ако усилването на тези антени се измерва от полувълнов вибратор ( поне така казва авторът на двутомната книга „Антени" от Карл Ротхамел и „Наръчник на радиолюбителския дизайнер" под общата редакция на Р. М. Малинин).
Опитът на автора на прикачения коментар на практика доказва, че колкото по-лоши са условията за разпространение на радиовълните, толкова по-силно е предимството на кръговата поляризация, която имат спиралните антени, и дори като се вземат предвид загубите от 3 dB в случай на приемане на сигнал от телевизионен предавател с хоризонтална поляризация.
Сега трябва да измислим име за тази домашна антена, която авторът тества. За да не се объркам в терминологията на спиралните антени, реших да се поинтересувам от вече известните имена и така се оказа
Ще отбележа също, че от цялото разнообразие от антени, само спиралните са водещи в броя на геометричните фигури и съответните имена, а що се отнася до две или повече спирали, опциите за имена се увеличават пропорционално.
Спирална антена с хоризонтална поляризация.
Това са две спирали с противоположна стъпка на навиване, разположени успоредно една на друга в хоризонтална равнина, с един общ рефлектор, с препоръчително разстояние между осите равно на 1,5 дължини на вълната. Ако спиралите са разположени в хоризонтална равнина, тогава те имат хоризонтална поляризация, ако са в една и съща равнина една над друга, тогава поляризацията е вертикална.Две спирали от по шест оборота дават печалба от 14 dB в сравнение с полувълнов вибратор (нека ви напомня, че 6 оборота, според таблицата в същата публикация, е 11 dB). В сравнение с единична спирала с характерен импеданс от 120 ома, двойните спирали имат предимство, тъй като общото им съпротивление е 60 ома и те са по-лесни за свързване с коаксиален кабел 50 или 75 ома. При същия тип разположение на спиралите, поляризацията ще бъде кръгова.
По-рядко се използва дизайнът на спирална антена с хоризонтална поляризация, където две спирали с различни посоки на навиване са свързани по една и съща ос.
Антена с двойна спирала.
В същия двутомник (специални видове антени за VHF и UHF обхвати, глава 26. 8.) има още един термин „ антена с двойна спирала“, всъщност тази антена е сравнима по свойства с четвърт вълнов прът, където последният е направен под формата на спирала, а функцията на противотежест се изпълнява от спирала с по-голям диаметър.
Спиралната антена принадлежи към класа на антените с пътуващи вълни. Основният му работен диапазон е дециметър и сантиметър. Принадлежи към класа повърхностни антени. Основният му елемент е спирала, свързана с коаксиална линия. Спиралата създава радиационен модел под формата на два листа, излъчвани по оста си в различни посоки.
Спиралните антени се предлагат в цилиндрични, плоски и конични типове. Ако необходимата ширина на работния обхват е 50% или по-малко, тогава в антената се използва цилиндрична спирала. Коничната спирала увеличава обхвата на приемане два пъти в сравнение с цилиндричната. А плоските вече дават двадесеткратно предимство. Най-популярната за приемане в VHF честотния диапазон е цилиндрична радиоантена с кръгова поляризация и голямо усилване на изходния сигнал.
Антенно устройство
Основната част на антената е навит проводник. Тук, като правило, се използва медна, месингова или стоманена тел. Към него е свързано захранващо устройство. Предназначен е за предаване на сигнал от спиралата към мрежата (приемник) и в обратен ред (предавател). Хранилките са от отворен и затворен тип. Фидерите от отворен тип са неекранирани вълноводи. А затвореният тип има специален щит срещу смущения, което прави електромагнитното поле защитено от външни влияния. В зависимост от честотата на сигнала се определя следният дизайн на фидера:
До 3 MHz: екранирани и неекранирани кабелни мрежи;
3 MHz до 3 GHz: коаксиални проводници;
От 3 GHz до 300 GHz: метални и диелектрични вълноводи;
Над 300 GHz: квазиоптични линии.
Друг елемент на антената беше рефлекторът. Целта му е да фокусира сигнала върху спиралата. Изработен е основно от алуминий. Основата за антената е рамка с ниска диелектрична константа, например пяна или пластмаса.
Изчисляване на размерите на основната антена
Изчисляването на спирална антена започва с определяне на основните размери на спиралата. Те са:
Брой навивки n;
Ъгъл на спиралата a;
Диаметър на спиралата D;
Стъпка на спиралата S;
Диаметър на рефлектора 2D.
Първото нещо, което трябва да разберете при проектирането на спирална антена е, че това е вълнов резонатор (усилвател). Характеристиката му беше високият му входен импеданс.
Видът на възбудените в него вълни зависи от геометричните размери на усилвателната верига. Съседните навивки на спиралата оказват много силно влияние върху характера на излъчването. Оптимални съотношения:
D=λ/π, където λ е дължината на вълната, π=3,14
защото λ е стойност, която варира и зависи от честотата, тогава изчисленията вземат средните стойности на този показател, изчислени по формулите:
λ min= c/f max; λ max= c/f min, където c=3×10 8 m/sec. (скорост на светлината) и f max, f min - параметър за максимална и минимална честота на сигнала.
λ av=1/2(λ min+ λ max)
n= L/S, където L е общата дължина на антената, определена по формулата:
L= (61˚/Ω) 2 λ avg, където Ω е коефициентът на насоченост на антената, в зависимост от поляризацията (взет от справочници).
Класификация по работен диапазон
Според основния честотен диапазон предавателните и приемащите устройства са:
1. Теснолентов. Ширината на лъча и входният импеданс силно зависят от честотата. Това предполага, че антената може да работи без пренастройване само в тесен спектър на дължина на вълната, приблизително 10% от относителната честотна лента.
2. Широка гама. Такива антени могат да работят в широк честотен спектър. Но основните им параметри (усилване на насоченост, диаграма на излъчване и т.н.) все още зависят от промените в дължината на вълната, но не толкова, колкото тези на теснолентовите.
3. Независими от честотата. Смята се, че тук основните параметри не се променят при промяна на честотата. Такива антени имат активна област. Има способността да се движи по дължината на антената, без да променя геометричните си размери, в зависимост от промените в дължината на вълната.
Най-често срещаните са спирални антени от втори и трети тип. Първият тип се използва, когато е необходима повишена „чистота“ на сигнала при определена честота.
Създаване на собствена антена
Индустрията предлага голям избор от антени. Разнообразието от цени може да варира от няколкостотин до няколко хиляди рубли. Има антени за телевизия, сателитно приемане и телефония. Но можете да направите спирална антена със собствените си ръце. Не е толкова трудно. Спиралните антени за Wi-Fi са особено популярни.
Те са особено подходящи, когато е необходимо да се усили сигнала от рутер в голяма къща. За да направите това, ще ви е необходима медна жица с напречно сечение 2-3 mm 2 и дължина 120 cm. Необходимо е да направите 6 навивки с диаметър 45 mm. За да направите това, можете да използвате тръба с подходящ размер. Дръжката на лопатата работи добре (има приблизително същия диаметър). Навиваме жицата и получаваме спирала с шест завъртания. Огъваме останалия край, така че да минава равномерно през оста на спиралата, „повтаряйки“ я. Разтягаме винтовата част, така че разстоянието между завоите да е в рамките на 28-30 mm. След това пристъпваме към изработката на рефлектора.
За това е подходящо парче алуминий с размери 15 × 15 cm и дебелина 1,5 mm. От тази заготовка правим кръг с диаметър 120 мм, като отрязваме ненужните ръбове. Пробийте 2 мм дупка в центъра на кръга. Вмъкваме края на спиралата в нея и запояваме двете части една към друга. Антената е готова. Сега трябва да премахнете радиационния проводник от антенния модул на рутера. И запоете края на жицата към края на антената, излизаща от рефлектора.
Характеристики на 433 MHz антена
На първо място, трябва да се каже, че радиовълните с честота 433 MHz, когато се разпространяват, се абсорбират добре от земята и различни препятствия. За предаването му се използват предаватели с ниска мощност. По правило тази честота се използва от различни устройства за сигурност. Той се използва специално в Русия, за да не създава смущения в ефира. Спираловидната антена от 433 MHz изисква по-високо съотношение на изходния сигнал.
Друга особеност при използване на такова приемо-предавателно оборудване е, че вълните от този диапазон имат способността да добавят фазите на директните и отразените вълни от повърхността. Това може или да засили сигнала, или да го отслаби. От горното можем да заключим, че изборът на „най-доброто“ приемане зависи от индивидуалната настройка на позицията на антената.
Домашна антена на 433 MHz
Лесно е да направите спираловидна антена от 433 MHz със собствените си ръце. Много е компактен. За да направите това, ще ви трябва малко парче медна, месингова или стоманена тел. Можете също така да използвате просто тел. Диаметърът на телта трябва да бъде 1 mm. Навиваме 17 оборота върху дорник с диаметър 5 mm. Разтягаме винтовата линия, така че дължината й да е 30 мм. С тези размери тестваме антената за приемане на сигнал. Чрез промяна на разстоянието между навивките, чрез разтягане и компресиране на спиралата, ние постигаме по-добро качество на сигнала. Но трябва да знаете, че такава антена е много чувствителна към различни предмети, доближени до нея.
UHF приемна антена
UHF спирални антени са необходими за приемане на телевизионен сигнал. По дизайн те се състоят от две части: рефлектор и спирала.
По-добре е да използвате мед за спиралата - тя има по-малко съпротивление и следователно по-малко загуба на сигнал. Формули за изчисляването му:
Общата дължина на спиралата е L=30000/f, където f е честотата на сигнала (MHz);
Стъпка на спиралата S= 0,24 L;
Диаметър на бобината D=0,31/L;
Диаметър на спиралния проводник d ≈ 0.01L;
Диаметър на рефлектора 0,8 nS, където n е броят на навивките;
Разстояние до екрана H= 0,2 L.
Печалба:
K=10×lg(15(1/L)2nS/L)
Рефлекторната чаша е изработена от алуминий.
Други видове приемо-предавателно оборудване
По-рядко се срещат конични и плоски спирални антени. Това се дължи на трудността на производството им, въпреки че имат по-добри характеристики по отношение на предаване на сигнала и обхват на приемане. Излъчването на такива предаватели не се формира от всички завои, а само от тези, чиято дължина е близка до дължината на вълната.
В плоска антена спиралата е направена под формата на двупроводна линия, навита в спирала. В този случай съседни завои се възбуждат във фаза в режим на бягаща вълна. Това води до създаване на кръгово поляризирано радиационно поле към оста на антената, което позволява създаването на широка честотна лента. Има плоски антени с така наречената спирала на Архимед. Тази сложна форма дава възможност за значително увеличаване на честотния диапазон на предаване от 0,8 до 21 GHz.
Сравнение на спираловидни и теснолъчеви антени
Основната разлика между спираловидната антена и насочената е, че тя е по-малка по размер. Това го прави по-лек, което позволява монтаж с по-малко физическо усилие. Недостатъкът му е по-тесният обхват на честотите на приемане и предаване. Освен това има по-тесен модел на излъчване, което изисква „търсене“ на най-добрата позиция в пространството за задоволително приемане. Безспорното му предимство е простотата на дизайна. Голям плюс е възможността за настройка на антената чрез промяна на стъпката на намотката и общата дължина на спиралата.
Къса антена
За по-добър резонанс в антената е необходимо "удължената" дължина на спиралната част да е възможно най-близо до стойността на дължината на вълната. Но не трябва да е по-малко от ¼ дължина на вълната (λ). По този начин λ може да достигне до 11 m, което е от значение за HF диапазона. В този случай антената ще бъде твърде дълга, което е неприемливо. Един от начините за увеличаване на дължината на проводника е инсталирането на удължителна намотка в основата на приемника. Друг вариант е да захраните тунера във веригата. Неговата задача е да съгласува изходния сигнал на радиопредавателя с антената при всички работни честоти. С прости думи, тунерът действа като усилвател за входящия сигнал от приемника. Тази схема се използва в автомобилни антени, където размерът на елемента, който приема радиовълната, е много важен.
Заключение
Спиралните антени придобиха голяма популярност в много области на електронните комуникации. Благодарение на тях се осъществява клетъчна комуникация. Те се използват и в телевизията и дори в радиокомуникациите в дълбокия космос. Едно от обещаващите разработки за намаляване на размера на антената е използването на конусен рефлектор, което прави възможно увеличаването на дължината на вълната на приемане в сравнение с конвенционалния рефлектор. Има обаче и недостатък, изразяващ се в намаляване на работния честотен спектър. Също така интересен пример е "двойно-филарна" конична спирална антена, която позволява работа в широк диапазон от честоти поради образуването на изотропна насочена диафрагма. Това се случва, защото захранващата линия под формата на двужилен кабел осигурява плавна промяна на вълновия импеданс.
При честоти над 300 MHz и по-високи широко се използват цилиндрични спирални антени с бягаща вълна. Една от версиите на спираловидната антена е показана на фиг. 1. Представлява спирала с диаметър ди навиваща се стъпка С, и метален рефлектор, направен под формата на диск или квадрат с размер ≈ 2D.
В зависимост от геометричните параметри (електрическа дължина на периметъра на намотката си дължина на стъпката на електрическата спирала С) спирална антена, в нея могат да се възбуждат различни видове вълни (модове). Най-голямо влияние върху естеството на излъчването на антената оказва съотношението на фазите между съседни навивки на спиралата.
Интересува ни вълната Т1 (фиг. 2), която се характеризира с 360-градусова разлика във фазата на токовете на съседни витки.
Вълна T1 се формира, когато електрическата дължина на периметъра на намотката е близка до дължината на вълната λ , докато спиралната антена работи в режим на аксиално излъчване (максималното излъчване съвпада с оста на спиралата).
Оптимални размери на спираловидна антена:
- Диаметър на бобината D=λ/π
- Спирална стъпка S=0.25λ
- Спирален ъгъл α=12°
Входен импеданс на антената, предмет на 12°≤α≤15°, 0,75λ<с<1,33 λ и брой завъртания n>3равно на:
RA ≈140 s/λ(ом)
Широчина на главния лоб на диаграмата на излъчване при ниво на половин мощност:
θ0,5 =52· λ/s· √nS/λ (градуси)
Фигура 3 показва резултата от изчисляването на диаграмата на излъчване на спирална антена във вертикална и хоризонтална равнина с помощта на програмата MMANA.
Фиг.3 Диаграма на излъчване на спирална антена.
Цилиндричните спирални антени, работещи в режим на вълна Т1, са кръгово поляризирани. При приемане на сигнал с антена с линейна поляризация (вертикална или хоризонтална), сигналът ще бъде отслабен с 3 dB (два пъти). За да избегнете това, можете да използвате система от две спираловидни антени с противоположна посока на навиване на спиралата и захранвани във фаза, разположени на разстояние 0,5 λ или 1,5 λ (фиг. 4).
Входният импеданс на такава антенна система ще бъде равен на 67,6 ома, което е в добро съответствие с характеристичния импеданс на коаксиален кабел (SWR 1,1 и 1,35 съответно за кабели 75 и 50 ома). Характерен импеданс на еднопроводна линия (фиг. 5) на секцията абтрябва да съответства на входния импеданс на спиралната антена (≈140 ома). За да направите това, е необходимо да поддържате съотношението e/dравно на ≈2,75.
За да съгласувате една антена или антенна система, състояща се от три или повече антени, в този случай можете да използвате експоненциален съгласуващ трансформатор, проектиран под формата на лентова линия (фиг. 6). За експоненциална линия импедансът на вълната варира по дължината й според закона:
Z 0 (x)=Z 01 e bx,Където
Z 01- характеристичен импеданс на линията на входа
Z0(x)- характеристичен импеданс на линията в участък, разположен на разстояние хот нейното начало
b- параметър, показващ скоростта на промяна на импеданса на линията
В зависимост от КСВ и известното съотношение Z02 /Z01 на вълновите импеданси в края и в началото на линията, нейната минимална дължина се изчислява по формулата:
,
Където 
;
Фигура 7 показва експоненциален съгласуващ трансформатор, проектиран да съгласува съпротивления от 140 ома и 50 ома при честота 2450 MHz с КСВ от 1,2. Разстояние дравна на 7 mm, диелектрик - въздух (ε=1), дебелина на материала д 1 мм.
Поради високото усилване и стабилността на електрическите параметри, поради ниската чувствителност към външни фактори и отклонения в геометрията, цилиндричните спирални антени могат да бъдат широко използвани в системи за комуникация и сигурност за комуникации на дълги разстояния.
Литература
Сазонов Д.М. Антени и микровълнови устройства.
Бенковски З., Липински Е. Любителски КВ и УКВ антени.
Уронов Л.Г.
TechnoSphere LLC, 2011