Спиральді антенналар

Спиральді антенналар — пішіні конустық, цилиндрлік, немесе жазықтық спираль түріндегі антенналар. Спираль бұтағының ұзындығы және адымы әрбір бұтақтың сәуле шығаруы дөңгелектік поляризацияға жақын және бағытталғандық диаграммасы максимал шегінде болатын етіп жасалады. Қума толқынды антенналар қатарына жатады. Дербес антенна, ал күрделі антенналар құрамында сәуле шығарғыш ретінде қолданылады

Антенна — радио, телехабар толқындарын тарататын және қабылдайтын құрылғы. Антеннаны (латынша antenna – діңгек, сырық) жасау теориясы мен әдістері 1889 ж. неміс физигіГенрих Герц жариялаған қарапайым электрлік вибратордың толқын таратуы теориясына негізделеді. Кез келген антенна бірнеше қарапайым вибраторлардың жиынтығы. Симметриялы емес вибратор түріндегі алғашқы антеннаны тәжірибе жүзінде 1895 ж. орыс өнертапқышы Александр Попов ұсынды.

Таратқыш антенна радиотаратқыштың шығардағы тербеліс тізбектеріне жинақталатын жоғары жиіліктіэлектр магниттік тербеліс энергиясын тараған радиотолқын энергиясына айналдырады. Ал қабылдағыш антенна радиотолқын энергиясын қабылдағыштың кіреберістегі тербеліс тізбегіне жинақталатын энергияға түрлендіреді. Антенналар: таратылатын (қабылданатын) радиотолқындардың диапазонына, жиілік қамтуына (жиілікке тәуелсіз, ауқымды және тар ауқымды), тарату немесе қабылдау бағыттылығына (бағытталмаған, сәл бағытталған, дәл бағытталған), әсерлік принципі мен құрылымына (кесінді сым, металл айналар, рупорлар, спиральдар, саңылаулар, рамалар, дипольдар, диэлектрлікстержень комбинациялары түрінде) қарай ажыратылады. 5 Сыртқы сілтемелер

Антеннаның негізгі параметрлері мен сипаттамалары[өңдеу]

Антеннаның негізгі параметрлері мен сипаттамалары: бағыттық әсер коэффициенті, бағытталу диаграммасы, қамтитын тиімді ауданы (бірден бірнеше мың м2-ге дейін жетеді), таратудағы кедергісі (көбінесе 100 Ом шамасы), толқынның полярлану түрі (сызықтық, шеңберлік, эллипстік), т.б. Антеннаның толқын тарату бағыттылығы толқынның таралу бағытындағы толқын өрісі кернеуін жоғарылатады.

Сөйтіп, таралған толқынның қуатына шамалас толқын қуаты пайда болады. Тарату қуатындағы эквиваленттік ұтымдылықты санмен бағалау үшін бағыттылық әсер коэффициенті (БӘК) енгізілген. Антенна бойындағы толқын қуаты кеңістікке түгелдей таралмайды. Толқын қуатының біршама бөлігі антенна сымы мен оқшаулағышқа (изоляторға) және антенна бекітілген құрылымға кетеді. Тараған толқын қуатының антенна сымдарына кететін қуатына қатынасын антеннаның пайдалы әсер коэффициентіейді. Ал БӘК-тің пайдалы әсер коэффициентіне көбейтіндісі күшейту коэффициенті (КК) деп аталады. Кез келген антеннаның бағытталу диаграммасының пішіні, БӘК-і мен пайдалы әсер коэффиенті қабылдау режимінде де, тарату режимінде де бірдей. Ұзын толқында радиохабар таратуда ( Т, Г әріптері тәрізді антенналар қолданылады) толқындық кедергіні азайту үшін антенналарға көлденеңінен және тігінен бірнеше қатар сым қосады. Орта толқында радиохабар қабылдауға рама тәрізді антенна, магниттік антенна, сондай-ақ рама тәрізді антенна мен симметриялы тік вибратордан тұратын композициялық антенна қолданылады. Қысқа толқын таратуға арналған антенналар тарату қашықтығына лайықталып жасалады. Қысқа қашықтықтағы байланыс (бірнеше ондаған км-ге дейінгі) жер бетімен көлбеу таралатын толқын арқылы жүзеге асады. Мұндай қашықтыққа антенна ретінде орта және ұзын толқындарға арналған вибраторларға ұқсас симметриялы емес және симметриялы тік вибраторлар пайдаланылады. Алыс қашықтықтағы байланыс (50 – 100 км және онан да алыс) ионосферадан бір немесе бірнеше рет шағылысып, қайтқан радиотолқын арқылы жүзеге асады. Қысқа толқынды алысқа таратқанда байланыс желілеріне БӘК-і жоғары антенна қолданылады. Мұндай антеннаға симметриялы вибраторлардан тұратын жазық торлы синфазалық (бірнеше антенналардан тұратын жүйе) антенна жатады. Тарату аясы кең болу үшін антенналар жерден 100 – 300 м және онан да биік діңгек немесе мұнараға орнатылады.

Қазақстандағы антенналар[өңдеу]

Қазақстандағы ең биік теледидарлық мұнара (теңіз деңгейінен 1000 м, мұнарасының биіктігі 372 м) Алматыдағы Көктөбе беткейіне тұрғызылған. Теледидарлық хабар жеке үй шатырына немесе биік сырықтарға бекітілетін симметриялық вибратор, «толқынды каналы», т.б. осы типтегі антенналар, ал көп пәтерлі үйлерде жоғары жиілікті күшейткіш пен одан шығатын жоғары жиілік энергиясын теледидарларға тарататын фидерлер жүйесінен тұратын ұжымдық антенналармен қабылданады. Аса жоғары жиілікті толқындарда (дециметрлік, сантиметрлік және миллиметрлік) жұмыс жасайтын синфазалық антенналар радиорелелі байланыс жүйесінде, радиолокацияда, ғарыштық байланыс желісінде, радиоастрономияда, т.б. қолданылады. Жұмыс принципі жағынан синфазалық антенналар көп вибраторлы торға ұқсайды. Мұндай антенналардың басқа антенналардан басты ерекшелігі – оларда дискретті таратқыш элементтер (вибраторлар) болмайтындығы. Аса жоғары жиілікті диапазонда рупорлы антенна, линзалы антенна, қос айналы антенна, саңылаулы антенна, сондай-ақ жүгірме толқынды антенна, спиральді антенна, «толқынды канал» типіндегі антенна, диэлектрлік антенна, т.б. қолданылады. Антенналар техниканың сан-саласында (автомобильдерде, ұшақтарда, ғарыш кемелерінде, қалта радиоқабылдағыштарында, радиотелефондарда, техникалық модельдерде, т.б.) басты қызмет атқарады. Үлкен радиотелескоптардың (мысалы, РАТАН-600) антенналары – алюминий айналары мен табақтары. Ондай антенналар арқылы алыс галактикалардан радиодабылдар қабылданады.[1]

Антенна — радиотаратқыштан шыққан электромагниттік тербелістің радиотолқыны ретінде эфирге таралуын, сондай-ақ радиоқабылдағыштың эфирден радиотолқынды қабылдауын қамтамасыз ететін құрылғы. Антеннаның түрлері көп. Олар бірбірінен тарататын (қабылдайтын) толқын ұзындықтарымен, жиілік диапазонымен (жиіліктік тәуелсіздікті, кең жолақты және тар жолақты), толқынды тарату (қабылдау) бағыттылығымен, әрекет ету және құрылымдық түрімен (сым кесіндісі, металл айна, рупор, спираль, рама, дипольдер жиынтығы, саңылау, диэлектрлік өзек түрінде және т.б.) ерекшеленеді. Антеннаның негізгі параметрлері мен сипаттамалары: бағыттық әрекет ету коэффициенті, бағытталғандық диаграммасы, тиімділік алаңы (бірден бірнеше мың шаршы км-ге дейін), сәуле шығару кедергісі (көбіне 100 Ом шамасында), толқынды поляризациялау түрі (жазық, дөңгелек, эллипстік).[2][3]

Спира́льная антенна — диапазонная антенна бегущей волны, основным элементом которой является проводник в форме винтовой линииили 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[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

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

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,  воспользовавшисьонлайн калькулятором на нашем сайте . Конструкция антенны сложнее, например баночной, но эта сложность окупается стабильностью результатов. Вот файлы MMANA для спиральной анткнны 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 120 мм и толщиной 3 мм. Это будет основа рефлектора. В центре сверлим 4 мм отверстие для держателя антенны.  Из центра проводим круг диаметром 44 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 42 мм  и  растянем ее потом на длину 215 мм. 
   

5. Из оргстекла толщиной 5 мм вырезаем держатели спирали шириной также 5 мм и длиной 220 мм. В торцах держателей сверлим отверстия и нарезаем метчиком резьбу для крепежных винтов 2,5 мм. 
   

6. 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 75 Ом. Этот треугольник и будет согласующей линией. 
   

7. 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... 
   

8. 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: 
   

9. 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. Однако, возможно, использование в качестве несущей конструкции пластиковой трубы не самый лучший выбор. Мы же все-таки делаем антенну для СВЧ диапазона. Хотя для упрощения нашей задачи и такой вариант вполне сгодится. 

В этом блоге (по ссылке ниже) можно посмотреть неплохой вариант практической конструкции спиральной антенны для Wi-Fi сети. Как видите вариант исполнения может быть самый разнообразный из любых подручных материалов. Ведь у каждого из нас на балконе, в гараже, в сарае, на чердаке есть много чего не нужного по принципу "хай воно буде". Вот тут оно как раз и пригодится. Самое главное в такой направленной 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.

Спиральными называют один из типов приемо-передающих диапазонных антенн. Свое название они получили от формы основной их части — спиралевидного проводника, который питается от коаксиальной линии. А относятся они к классу антенн бегущей волны. Основными частями такой антенны являются спираль, экран и согласующее устройство. Спиральные антенны отличает так же высокое входное сопротивление, которое может равняться 50Омам, что позволяет использовать антенну с коаксиальными линиями без дополнительного оборудования.Диаграмма направленности состоит из двух лепестков, расположенных вдоль оси спирали по разные стороны от нее. А для получения однонаправленного излучения достаточно поместить спираль перед экраном или в отражающей полости. При работе на передачу спиральная антенна излучает поле с вращающейся поляризацией, которое будет, в зависимости от направления намотки спирали, право или лево поляризованным. А прием может вестись как для полей с вращающейся поляризацией того же направления, что и у передающей антенны, либо для полей любой линейной поляризации.Касательно диапазонов, это могут быть УКВ волны, дециметровый, сантиметровый диапазон. Впрочем, спиральные антенны используют также для связи вай фай и очень часто в мобильной связи. Да, в хорошо знакомых сотовых телефонах устанавливают небольшие антенны такого вида.Существует два основных типа антенн: плоская и пространственная. Выбор типа делается согласно предполагаемому диапазону волн. Плоская спиральная антенна состоит из двух проводников закрученных в виде спирали в одной плоскости. Приемник или передатчик подключается к ее центру, чаще всего с помощью коаксиального кабеля. Пространственные, так же подключаются к коаксиальной линии, но имеют цилиндрическую или коническую форму. В этом случае центральный проводник линии подключается к проводнику антенны, а внешний -- к плоскому металлическому экрану. Коэффициент направленного действия для первого типа обычно равен нескольким единицам, а для пространственных антенн -- на два порядка выше. Возможно, наиболее распространенными являются пространственные цилиндрические антенны. Они обладают круговой поляризацией и большим коэффициентом усиления. Одним из плюсов спиральной антенны является то, что ее достаточно просто изготовить в домашних условиях. В отличии от антенны типа волновой канал, спиральные не так требовательны к точному соблюдению расчетных размеров. Кроме того, при одинаковом усилении такие антенны меньше по габаритам. Возможно, поэтому их ...