Спиральные
направленные антенны
Линии задержки в виде
спирали – классика радиотехники. Поэтому
исторически спираль для замедления радиоволны
(т.е. создания направленной антенны см.
п. 13.1.3) использовали едва ли не первой.
Еще в 30-е годы прошлого века.
Спиральная антенна
представляет собой однослойную катушку
с большим в длинах волн диаметром и шагом
намотки. Для получения однонаправленной
ДН сзади катушки помещают большой апериодический
рефлектор-поверхность. Такая конструкция
показана в файле …Helix7.gaa и на рис. 13.4.14.
Рис. 13.3.14.
Из этого рисунка видны
два основных недостатка спиральных антенн:
плохое подавление
назад и вбок (не превышает 20 дБ, худшие
точки 12…15 дБ).
Высокое входное сопротивление,
требующее согласования (но не всегда, см табл. 13.4.1).
Но есть и достоинства:
Очень широкая полоса
(отношение FMAX/FMIN приближается к 2) и вытекающая
отсюда малая критичность к размерам.
Большой уровень боковых
и задних лепестков являются неотъемлемым
свойством спиральной антенны, точнее,
свойством линии задержки спиральной
формы. Подавление назад пытаются повысить
хотя бы до 20 дБ большими рефлекторами
сложной формы, но отсюда уже недалеко
и до зеркальных антенн.
Спиральная антенна
закручивает вращение плоскости поляризации.
Направление вращения совпадает с направлением
намотки спирали. Для хорошего коэффициента
эллиптичности спираль должна содержать
целое число витков. Это вытекает из того,
что любая антенна вращающейся поляризации
должна содержать равное количество вертикальных
и горизонтальных частей
Поскольку спиральная
антенна это катушка, то ее размеры и задаются
как для катушки:
диаметр оправки D,
на которой намотана спираль.
Как и в любой другой
антенне N (т.е. число одновитковых элементов)
определяет усиление. А диаметр D и шаг
S задают степень замедления (оптимальную
фазовую скорость), т.е. должны быть связаны
с длиной волны l.
Но с какой именно l? Спиральная антенна
ведь широкополосна. Частота (и, соответственно,
длина волны) меняются в полосе почти вдвое.
Какую l брать для расчетов?
Поскольку ответ на
последний вопрос в разных источниках
не стандартизирован, то и формулы расчета
спиральной антенны в них различаются.
Чтобы избежать путаницы, будем брать l той частоты (назовем
ее оптимальной, FOPT), на которой
усиление антенны максимально.
Рис. 13.3.15.
На рис 13.4.15 показано
как меняется от количества витков оптимальный
диаметр каркаса D, выраженный в l. Шаг намотки S должен
составлять 0,22 … 0,24l.
Усиление Ga зависит
только от числа витков N спирали (считается,
что оптимальный диаметр D, соответствующий
данному N уже установлен), как показано
на рис. 13.4.16 (собственные расчеты и [7],
[15]).
Рис. 13.3.16.
Спираль должна содержать
не менее 3 витков, чтобы сформировалась
направленная ДН (файл …Helix3.gaa). Для излучения в одну сторону
сзади спирали на расстоянии 0,12lпомещают сетчатый
или сплошной рефлектор, который должен:
иметь диаметр 0,8l если он круглый.
Размер стороны 1,1l если квадратный.
Входное сопротивление
спиральной антенны зависит, прежде всего,
от диаметра провода спирали. Ведь спиральная
антенна представляет собой спиральную
длинную линию. И волновое сопротивление
этой линии (в данном случае Ra) сильно зависит
от диаметра провода. Точно так же, как
у любой другой линии (п. 3.2.2).
Зависимость Ra спиральной
антенны от диаметра провода в l, приведена в таблице
13.4.2.
Табл. 13.4.1.
d в l |
0,5% |
1% |
2% |
3% |
4% |
5% |
7% |
Ra, Om |
240 |
190 |
140 |
115 |
87 |
75 |
50 |
Так что приводимое
во многих источниках входное сопротивление
спиральной антенны 140 … 160 Ом является
просто частным случаем намотки спирали
проводом диаметром 1,5…2% l.
Для упрощения согласования
имеет смысл использовать провод 3% l. И полученное Ra = 115
Ом, понижать до 50 Ом четвертьволновым
отрезком кабеля 75 Ом. Пример такой конструкции
показан в файле …Helix_WiFi.gaa и на рис. 13.4.17. Это 14-ти витковая
спиральная антенна на диапазон WiFi 2450
МГц.
Рис. 13.3.17.
Частотные свойства
спиральной антенны (на примере 7-ми витковой …Helix7.gaa) показаны на рис. 13.4.18 (усиление)
и рис. 13.4.19 (КСВ, дан относительно 190 Ом,
т.к. диаметр провода в этой модели около
1% l).
Рис. 13.3.18.
Рис. 13.3.19.
Как видно из сравнения
этих двух рисунков полоса по усилению
меньше полосы по КСВ. По уровню снижения
Ga на 3 дБ полоса на рис. 13.4.17 составляет
1280 – 2080 МГц. КСВ в этой полосе только на
верхнем краю достигает 1,5.
Оптимальная по усилению
частота расположена не в середине полосы,
а ближе к верхней границе. Так, на рис.
13.4.17 FOPT = 1880 МГц. До
верхней границы 200 МГц, а до нижней втрое
больше, 600 МГц.
Это надо иметь в виду
при расчетах. Полезно задавать FOPT процентов
на 10 … 15% выше желаемой средней частоты.
Особенно принимая во внимание, что пластиковые
части конструкции (траверса, распорки)
сдвинут вниз частотную характеристику
антенны. Если спираль мотается прямо
на пластике, то необходимо учитывать
что антенна станет электрически длиннее
в корень из e раз.
В заключение этого
раздела несколько приемов по редактированию
моделей спиральных антенн.
Диаметр намотки D легко
менять масштабированием по осям Y и Z.
Масштабирование только
по одной оси X меняет шаг намотки.
Если коэффициент эллиптичности
получился плохим (V и H составляющие ДН
заметно отличаются), то подогнать его
к 1 можно удаляя дальние провода спирали
(по одному и каждый раз пересчитывать и смотреть разницу V и Н ДН).
Спиральные антенны
Спиральные антенны относятся
к классу антенн бегущей волны. Они представляют
собой металлическую спираль, питаемую
коаксиальной линией. Спиральные антенны
формируют диаграмму направленности,
состоящую из двух лепестков, расположенных
вдоль оси спирали по разные стороны от
нее. На практике обычно требуется одностороннее
излучение, которое получают, помещая
спираль перед экраном или в отражающей
полости. Существуют цилиндрические, конические
и плоские спиральные антенны. Вид спиральной
антенны может быть выбран по заданному
диапазону волн. Если ширина диапазона
не превышает 50%, то берется цилиндрическая
спираль, коническая спираль обеспечивает
диапазон в два раза шире, чем цилиндрическая.
Плоские спиральные антенны обладают
двадцатикратным перекрытием по рабочему
диапазону. В радиолюбительской практике,
в диапазоне УКВ, наибольший интерес представляет
собой цилиндрическая спиральная антенна
с круговой поляризацией и большим коэффициентом
усиления. Если мы принимаем сигнал с линейной
поляризацией (вертикальной или горизонтальной)
на антенну с круговой поляризацией, теряется
три децибела, но при этом намного уменьшается
глубина замираний. При переотражении
сигнала на длинных трассах, мы не знаем
с какой поляризацией (или с каким наклоном)
приходит сигнал в точку приема, для антенны
с круговой поляризацией это не будет
иметь никакого значения. Вообще можно
отметить, что изготовление в домашних
условиях антенн с большим коэффициентом
усиления, типа ”волновой канал”, сопряжено
с рядом трудностей. Даже имея хороший
парк приборов, трудно добиться расчетных
значений. Необходимо строго выдерживать
линейные размеры. При настройке обычно
корректируют не более двух – трех элементов,
расположенных рядом с активным вибратором.
Расчет и настройка антенн типа “волновой
канал” прост только для малого количества
элементов. Параметры антенны могут значительно
изменяться при небольшом изменении размеров
элементов и их взаимного расположения.
С ростом числа элементов, количество
операций при настройке растет в геометрической
прогрессии. Большое количество элементов
сужает полосу пропускания антенны, уменьшает
входное сопротивление. Увеличение реактивного
сопротивления директоров по мере увеличения
их числа приводит к уменьшению амплитуд
токов в них. При этом особенно сильно
уменьшаются токи в директорах, отстоящих
далеко от активного вибратора. Поэтому
сужение диаграммы направленности директорной
антенны с увеличением ее длины происходит
значительно медленнее, чем у антенны
бегущей волны, элементы которой возбуждаются
с одинаковой интенсивностью. По сравнению
с директорными антеннами у спиральных
антенн размеры являются менее критичными.
Не критичность спиральных антенн к точности
изготовления – большое их преимущество.
При одном и том же усилении, спиральная
антенна имеет меньшие размеры, чем антенна
волновой канал. Так как полоса пропускания
спиральной антенны, намного больше, чем
любой любительский диапазон, нет необходимости
даже измерять резонансную частоту антенны,
достаточно измерить только входное сопротивление
и рассчитать под него согласующее устройство,
для оптимального согласования антенны
с фидером питания.
D - диаметр спирали, S – шаг спирали
Рис. 1. Цилиндрическая спиральная
антенна.
Следует иметь в виду, что спиральные
антенны имеют излучение с вращающейся
поляризацией. При работе на передачу
спиральная антенна излучает поле с вращающейся
поляризацией, право или лево поляризованное,
в зависимости от направления намотки
спирали. При работе на прием она принимает
либо поле вращающейся поляризации с направлением
вращения, как и при передаче, либо поле
любой линейной поляризации. При расчете
К.Н.Д. антенны следует делать поправку
на круговую поляризацию и от результата
отнимать 3 dВ.
Для приема излучения с линейной
поляризацией, чтобы не терять 3 dВ, можно
применять антенну состоящую из двух близко
расположенных параллельных спиралей,
намотанных в противоположные стороны.
Если антенна предназначена для работы
только на одном радиолюбительском диапазоне,
например 430 / 435 МГц, желательно заузить
полосу пропускания антенны при помощи
четвертьволнового короткозамкнутого
шлейфа, выполненного из медного провода
диаметром 2-3 мм или медной шинки, соединяющей
разъем и экран (Рис. 2).
Рис.2.
Если спирали расположить в
горизонтальной плоскости, то возможен
прием волн с горизонтальной поляризацией,
а при вертикальном расположении – с вертикальной
поляризацией. Антенна из двух параллельно
расположенных спиралей дает возможность
при соединении спиралей параллельно
получать входное сопротивление Rвх = (65-80)
Ом, что удобно при питании ее обычным
коаксиальным кабелем без согласующих
устройств.
Для создания антенны с управляемой
поляризацией, совмещают две противоположно
направленные обмотки. Рис. 3. То есть делается
двухзаходная спираль на одном каркасе
с противоположным направлением намотки
витков.
Спирали с противоположным
направлением намотки развязаны относительно
друг друга на 40 dВ, меняя сдвиг по фазе
между токами в обеих обмотках можно управлять
направлением поляризации.
В диапазонах 1200 мГц и выше антенну
следует помещать не над экраном, а в коническом
рупоре, что увеличивает в четыре раза
коэффициент направленного действия такой
антенны по сравнению с обычной спиралью
такой же длины, а уровень боковых лепестков
становится на 15 – 20 dВ ниже. Рис.4
Цилиндрическая спиральная
антенна состоит из следующих основных
частей: проволочной спирали, сплошного
или сетчатого экрана, согласующего устройства.
В конструкцию антенны могут входить так
же диэлектрический каркас, на который
наматывается спираль и диэлектрические
растяжки, придающие антенне жесткость.
Если спираль крепится на сплошном
каркасе из диэлектрика, то ее расчетные
размеры должны быть уменьшены в 1/v? раз. Спираль наматывается из проволоки,
трубки либо плоской ленты. Как витки,
так и экран необязательно делать круглыми,
их можно делать квадратными или многоугольными.
Длина витка спирали принимается равной
средней длине волны заданного диапазона
L=?cp.
Рис.3 Двухзаходная спиральная
антенна Рис.4 Конический рупор
с противоположным направлением со
спиральным возбудителем
намотки витков
Рис.3 Двухзаходная спиральная
антенна Рис.4 Конический рупор
с противоположным направлением со
спиральным возбудителем
намотки витков
Шаг спирали находится из условия S=0,22
?cp, если необходимо получить круговую
поляризацию поля, или из условия
если необходимо получить от антенны максимальный
К.Н.Д. L – длина витка, S – шаг спирали, ?'-
длина антенны. Входное сопротивление
почти чисто активное.
если необходимо получить от антенны максимальный
К.Н.Д. L – длина витка, S – шаг спирали, ?'-
длина антенны. Входное сопротивление
почти чисто активное.
Расстояние начала спирали от экрана выбирают
равным 0,13 ?. Диаметр диска экрана принимается
равным (0.9 ? 1,1); диаметр провода спирали
берется порядка (0,03 ? 0,05) ?cp.
Расстояние начала спирали от экрана выбирают
равным 0,13 ?. Диаметр диска экрана принимается
равным (0.9 ? 1,1); диаметр провода спирали
берется порядка (0,03 ? 0,05) ?cp.
Пример. Спиральная антенна
для диапазона ? = 70 см имеет шаг S = 15,4 см,
число витков n = 7 и длину витка L = 54,5 см (диаметр
спирали D = 16,7 см). Длина спирали ?=108 см. Диаметр
экрана 70 см. Rвх = 109 Ом. G=11,4 dВ.
Если необходимо иметь согласование
в широкой полосе частот, например, в телевизионном
диапазоне ДМВ, можно применить широкополосной
экспоненциальный трансформатор, в полосковом
исполнении. Экспоненциальным трансформатором
называется линия, по длине которой волновое
сопротивление изменяется по экспоненциальному
закону. См.Рис. 5 а. Это достигается изменением
расстояния между проводниками или их
диаметра и соответственно изменением
погонной индуктивности и емкости трансформатора
по всей его длине. Физическая сущность
согласования экспоненциальным трансформатором
заключается в том, что по мере увеличения
его волнового сопротивления амплитуда
напряжения возрастает, а амплитуда тока
уменьшается, причем эти изменения происходят
достаточно плавно, так, что режим бегущих
волн практически сохраняется. На практике,
особенно в диапазоне сверхвысоких частот,
широко применяются отрезки линий, поперечные
размеры которых изменяются по линейному
закону. Изготовление таких трансформаторов
проще, чем экспоненциальных и они близки
по эффективности согласования к экспоненциальным.
См. Рис.5Б.