Онлайн калькулятор расчета спиральной антенны

Спиральную антенну, изобретенную в конце сороковых Джоном Краусом (John Kraus, W8JK), можно назвать самой простой реализацией антенны, которую можно представить, в особенности для частот в диапазоне 2-5 ГГц. Эта конструкция является очень простой, практичной и при этом надежной.

Эта статья описывает, как самостоятельно сделать спиральную антенну для частот в районе 2.4 ГГц которая может быть использована, например, для высокоскоростных радиочастотных (S5-PSK, 1.288 Мбит/сек), 2.4 ГГц беспроводных сетей и любительских спутниковых (AO40).

Развитие оборудования безпроводных сетей позволяет легко получить высокоскоростной радиодоступ с использованием стандарта IEEE 802.11b (также известного как Wi-Fi).

Краткий обзор теории

Спиральная антенна может быть описана как пружина с количеством витков N с отражателем. Окружность (C) витка составляет приблизительно длину волны (l), а дистанция (d) между витками составляет приблизительно 0.25C. Размер отражателя (R) составляет C или l и может иметь форму круга или квадрата.

Конструкция излучающего элемента вызывает круговую поляризацию (КП), которая может быть как право-, так и левосторонней (П и Л соответственно), в зависимости от того, как намотана спираль.

Для того, чтобы передать максимум энергии, обе стороны соединения должны иметь одинаковую направленность поляризации, кроме случаев, когда используется пассивный отражатель радиоволн на пути передачи сигнала.

Усиление (G) антенны относительно изотропии (dBi) может быть расчитана по следующей формуле:

G = 11.8 + 10 * log {(C/l)^2 * N * d} dBi (1)

В соответствии с выводами Др. Даррела Эмерсона (Dr. Darrel Emerson, AA7FV) из Национальной Радиоастрономической Обсерватории, результат вычисления по формуле [1], также известной как формула Крауса (Kraus formula), 4-5 dB слишком оптимистичен. Др. Рей Кросс (Dr. Ray Cross, WK0O) проанализировал результаты исследования Эмерсона в программе анализа антенн ASAP.

Характеристика полного сопротивления (импенданса) (Z) полученной передающей линии эмпирически должна описываться формулой

Z = 140 * (C/l) Ohm (2)

Реализация для частоты 2.43 ГГц (aka S-band, ISM band, 13 cm amateur band)

l = (0.3/2.43) = 0.1234567 m (12.34 cm) (3)

Диаметр витка (D) = (l/pi) = 39.3 mm (4)

Стандартная канализационная пластиковая труба с внешним диаметром 40 мм является для нас превосходным решением и легкодоступна в магазинах «Сделай сам» или у любого сантехника 🙂 Спираль может быть намотана из стандартного медного провода, который применяется в домашнем хозяйстве для цепей 220 В переменного тока. Этот провод имеет цветную поливинилхлоридную изоляцию и медный сердечник диаметром 1.5 мм. Обмотка проводом трубы даст результирующий диаметр D = 42 мм благодаря толщине изоляции.

D = 42 mm, C = 42*pi = 132 mm (which is 1.07 l) (5)

d = 0.25C = 0.25*132 = 33 mm (6)

Для дистанций от 100 м до 2.5 км в пределах прямой видимости, 12 витков (N = 12) достаточно. Следовательно, длина трубы будет около 40 см (3.24 l). Обмотайте провод вокруг трубы и приклейте его поливинилхлоридным или любым другим, содержащим тетрагидрофуран (THF), клеем. Это даст очень прочную намотку вокруг трубы, как показано на рисунке 1 ниже.

Онлайн калькулятор расчета спиральной антенны
Рисунок 1. Использованные материалы с размерами.

Сопротивление антенны:
Z = 140 * (C/l) = 140*{(42*pi)/123.4} = 150 Ом (7)
требует соответствия сети для использования стандартного 50 Ом UHF/SHF коаксиала и коннекторов.
Обычно используется заглушка в 1/4 волны с сопротивлением (Zs)
Zs = sqrt(Z1*Z2) = sqrt(50*150) = 87 Ом (8)

Из-за спиральной конструкции это соответствует 1/4 витка. Однако, с точки зрения механики, учитывая то, что необходимо позаботиться о водонепроницаемости, если антенна используется на открытом воздухе, есть более предпочтительные методы достижения сопротивления спиралью сопротивления в 50 Ом.

Первой мыслью было эмпирически увеличить d для первого и второго витка и добиться нужного значения методом проб и ошибок, измеряя результат при помощи направленного блока сопряжения и генератора сигнала.

После недолгих поисков в интернете были надены спирали, которые согласовывались таким способом, но неожиданно был найдена страница Джейсона Хеккера (Jason Hecker). Он действительно использовал элегантное решение согласования, используя медную лопатку в соответствии с ARRL Handbook.

Так что вся хвала — ARRL и Джейсону, для антенны были использованы его размеры. Честно говоря, эта страница практически копирует его страницу, за исключением того, что спираль намотана в противоположном направлении :)).

Онлайн калькулятор расчета спиральной антенны

Онлайн калькулятор расчета спиральной антенны
Рисунки 2a и 2b. Идея, размеры и монтаж согласователя. Гипотенуза треугольника должна быть продолжением провода.

Теперь необходимо припаять согласователь к спирали, приклеить их и приготовиться к соединению с колпачком, как показано на Рис. 3.

Онлайн калькулятор расчета спиральной антенны
Рисунок 3. Почти законченная спиральная антенна.

Готово! (Рис. 4)

Онлайн калькулятор расчета спиральной антенны
Рисунок 4. Законченная 12тивитковая 2.4 ГГц спиральная антенна, G = 17.5 dBi или 13.4 dBi (соответственно по Краусу или Эмерсону).

Характеристики антенны были измерены. Результаты — на Рис. 5a и 5b:

Рисунок 5a. Потери на отражении (dB) от 2300 до 2500 МГц
Рисунок 5b. Диаграмма Смита 2300-2500 МГц
Рисунок 6a Установка для измерения
Рисунок 6b «Спиральная антенна за час» и анализатор Rohde & Schwarz
И наконец, спиральная антенна в действии…
Рисунок 7a Излучает на мой LAP (Local Access Point 😉
Рисунок 7b Вид снизу

Источник: http://www.wifiantenna.org.ua/antennas/helix/

OnLine калькулятор проволочных антенн

Крайне удивлён отсутствием народа на транспондере FunCube-1. Летает абсолютно по расписанию, транспондер работает отлично, а слышно только Евросоюз на западных участках траектории полёта. Вот как я слышу свои 11 эл. на 435 на 5 эл. 145 А когда себя слышать перестал, стал принимать HA1SE и HA6NM. А славян нет.
Ответы на вопросы из форума, гостевой и почты. Мир не без добрых людей 🙂 Валерий UR3CAH: «Добрый день, Егор. Я думаю данная статья (а именно раздел «Фрактальные антенны: лучше меньше, да лучше») соответствует тематики Вашего сайта и будет Вам интересна 🙂 А правда ли это? 73!»Да, конечно интересна. Мы в какой-то степени уже касались этой темы при обсуждении геометрии гексабимов. Там тоже была дилема с «уложением» электрической длины в геометрические размеры :-). Так что спасибо, Валерий, большое за присланный материал.«Фрактальные антенны: лучше меньше, да лучше За последние полвека жизнь стремительно стала меняться. Большинство из нас принимает достижения современных технологий как должное. Ко всему, что делает жизнь более комфортной, привыкаешь очень быстро. Редко кто задается вопросами «Откуда это взялось?» и «Как оно работает?». Микроволновая печь разогревает завтрак — ну и прекрасно, смартфон дает возможность поговорить с другим человеком — отлично. Это кажется нам очевидной возможностью. Но жизнь могла бы быть совершенно иной, если бы человек не искал объяснения происходящим событиям. Взять, например, сотовые телефоны. Помните выдвижные антенны на первых моделях? Они мешали, увеличивали размеры устройства, в конце концов, часто ломались. Полагаем, они навсегда канули в Лету, и отчасти виной тому… фракталы. Подробнее…
Собственно всё кроме кода опубликовано ранее. Сам скетч и комментарии в файле. Поэтому осталось только озвучить комментарии к недельному периоду испытаний идеи. В принципе всё работает так как и планировалось. Детали идеи, фото и видео можно увидеть на сайте Но выяснилось и несколько принципиальных недостатков проекта. Первое огорчение — несовершенство оснащения скиммер станций. Почти все из них работают только в нескольких диапазонах и очень часто с плохой антенной. Вследствии этого бывает что после передачи маяка не поступает ни одного рапорта от скиммер станции. В идеале это говорило бы о том, что на этом диапазоне нет прохождения. Но это не так. Просто из работающих на этом участке скиммеров никто сигнала маяка не услышал (декодировал) Вчера я прослушивал работу маяка на удалённых SDR приёмниках и пришёл к выводу, что сеть скиммерстанций несовершенна. Так как маяк работает с мощностью в 100 ватт, а на УКВ еще меньше, то громко его не слышно. Но слышно. А скиммер сигнал пропускает. То есть информация не стопроцентно достоверная. Дальше — хуже. Подробнее…
Я прошу прощения за то что онлайн экзамен на радиолюбительскую категорию не работал более трёх недель, а я этого не заметил. Заказанный у холстера антивирусный контроль файлов ( в данном случае скриптов) не безукоризненный: шось «зъив» 🙂 Сейчас работа экзамена восстановлена, пользуйтесь пожалуйста. Только я в прошлый раз отменил отправку результата на E-mail экзаменующегося потому что эти самые экзаменующиеся всё время пытаются подсунуть несуществующий E-mail, хотя скрипт предупреждал, что если не хотите получить результат на почту, просто пропустите ввод почтового адреса 🙂 Как бы то ни было, работа экзамена восстановлена. Пробуйте. Надпись под фото: «паника студента» 🙂
Речь о спутниках. Я уже задавался таким вопросом. И, конечно же знаю, что ответа не знает никто. Дело в том, что примерно половину спутников не то что не афишируют, скрывают. По понятным причинам. Но всё же хотелось бы знать хотя бы про половину. И вот, оказывается, есть такая организация. Union of concerning Scientist. Они готовят множество ежеквартальных материалов по ядерной (безо)пасности и спутникам. Данные открытые, ими можно легко воспользоваться, скачав приготовленные для нас данные уже в формате обычного Excel. Или даже текстовом формате. Согласно их авторитетному мнению на орбите сейчас 1168 спутников. Прикидываете, если бы вы захотели просто послушать, какой многоголосый хор вы бы услышали 🙂 Но нам, радиолюбителям, проще. спутников использующих радиолюбительские диапазоны и диапазон для экспериментальной связи — 433 мгц, гораздо меньше. И они, часто, бывают или выключены, или переведены практически в режим радиомолчания: только команда запрос-ответ. Поэтому список спутников, которые можно послушать (или поработать через их транспондеры) составляет всего днесколько десятков строк 🙂 Подробнее…
Пару постов назад я шутил что Boeing 777 очень любит Icom 7800 🙂 У них вместо кокпита в кабине пилотов 3 штуки Icom7600 и 3 штуки IC-7800. Но вот, выясняется что Icom больше всех любит NASA. Space Shuttle Endeavor: тут уже Icoms считать следует если не деcятками, то уж никак не штуками….. 🙂
Я тут перестроил технику на запись своими SDRами диапазона 145 мгц. Наехали на меня местные говоруны, вынуждают доказывать им аудиозаписями что их культура общения не общепринятая. Остался только один свободный 🙂 Вот я на нём и смотрю что где делается. И опять не могу не заметить сплошные нарушения и дух спирит и его буквы. И так уж меня тянет высказаться что я подумал что я сноб. Вот уже два месяца как не участвую ни в каких соревнованиях, не хожу на круглые столы, УКВ слушаю только тропо и спутники, казалось бы: какое мне дело? Помните Хазанов рассказывал про попугая, который кричал что в зоопарке льву мяса недодают? Попугай-то мяса не ест:-) Так вот сижу я в мягком кресле, в пижаме, кофе посасываю и умничаю 🙂 Чистой воды прыщ на здоровом теле соревнующихся 🙂 Наверное всё-таки сноб. Ну а как можно не заметить вот такое? Из 29 сигналов соревнующихся (18.03.2018 10:45 по Киеву) только 4 выдерживают требования к телеграфным передатчикам — остальные сеятели помех: Подробнее…

Источник: https://hammania.net/index.php/online-kalkulyator-antenn

Спиральные антенны СВЧ

На частотах выше 300 МГц и выше широкое применение находят цилиндрические спиральные антенны бегущей волны. Один из вариантов исполнения спиральной антенны приведён на рис.1. Она представляет собой спираль диаметром D и шагом намотки S, и металлического рефлектора, выполненного в виде диска или квадрата с размером ≈2D.

В зависимости от геометрических параметров (электрической длины периметра витка с и электрической длины шага спирали S) спиральной антенны, в ней могут возбуждаться различные типы волн (моды). Наибольшее значение на характер излучения антенны оказывает фазовое соотношение между соседними витками спирали.

Нас интересует волна Т1 (рис.2), для которой характерно отличие на 360 градусов фазы токов на соседних витках.

Волна Т1 образуется при электрической длине периметра витка, близкой к длине волны λ, при этом спиральная антенна работает в режиме осевого излучения (максимум излучения совпадает с осью спирали).


Рис.1 Цилиндрическая спиральная антенна.	Рис.2 Распределение тока в витке.

Оптимальные размеры спиральной антенны:

Диаметр витка D=λ/π
Шаг спирали S=0,25λ
Угол спирали α=12°

Входное сопротивление антенн, при условии 12°≤α≤15°, 0,75λ0,98. Рис. 2.

а) Входной ток
б) напряжение на выходе корректора мощности Рном
в) напряжение на выходе корректора мощности 0,1×Рном

Для дросселя L необходимо применять ленточные сердечники с зазором, так как ток основной гармоники является подмагничивающим для дросселя, фильтрующего третью гармонику, или торы с порошкообразными сердечниками. При создании опытного образца для дросселя использованы замкнутые магнитопроводы из многослойного железа фирмы EPCOS, у которых магнитная проницаемость постоянна в широком диапазоне изменений напряженности магнитного поля, а также перспективные конденсаторы MRP. Правильное построение корректора предполагает компромисс между массой, которая определяется дросселем, и стоимостью, определяемой величиной С. Уменьшение величины L в контуре на третью гармонику вызывает ухудшение коэффициента æ и рост стоимости корректора, хотя вес корректора снижается. В качестве примера в таблице 2 приведены расчетные значения коэффициента мощности для различных значений индуктивности дросселя при выходной мощности корректора 1200 Вт. Таблица 2. Расчетные значения коэффициента мощности

Индуктивность L, мГн Емкость C, мкФ Коэффициент мощности æ, % Коэффициент гармоник Кг

30	15	10
37,5	75	112
98,8	95,38	89,64
15,5	31,2	49,5

Судя по рис. 2в, при мощности 0,1×Рном напряжение на выходе корректора достигает значения 530 В. Чтобы исключить это перенапряжение, предлагается при малых мощностях отключать конденсаторы С1 и С2 от контура. Устройство [3], реализующее этот принцип, содержит дроссель фильтра третьей гармоники L1, диодный мост М1, конденсаторы фильтра С1, С2, оптосиммистор V1, сервисный источник питания (СИП), первый операционный усилитель ОУ1, источник опорного напряжения, включающий в себя сопротивление R1, стабилитрон V2, гистерезисное сопротивление R2, второй операционный усилитель ОУ2, сопротивления делителя R3, R4 (рис. 3). Рис. 3. Корректор с защитой от перенапряжения Устройство работает следующим образом. При номинальной мощности и при ее уменьшении до 30% напряжение на нагрузке не превышает расчетных значений. На входе источника подключен фильтр третьей гармоники, состоящий из дросселя L1, конденсаторов С1 и С2, которые соединены с нейтралью через включенный оптосиммистор V1. При уменьшении мощности нагрузки ниже 30% от номинального значения напряжение на выходе моста М становится выше расчетного значения, а напряжение, поступающее со средней точки делителя R3, R4 на инверсный вход операционного усилителя ОУ2, выше, чем опорное напряжение на неинверсном входе операционного усилителя ОУ1, становится выше опорного напряжения на неинверсном входе, а его выходное напряжение близко к нулю. Ток через светодиод прекращается, выключается оптосиммистор V1 и отключает от дросселя конденсаторы С1 и С2. Напряжение на выходе моста снижается, однако наличие гистерезисного сопротивления R2 в операционном усилителе ОУ2 препятствует его новому переключению. Отключение конденсаторов оправдано, так как при малых нагрузках требования к синусоидальности входного тока сетевых источников питания снижаются, и часто достаточно одного дросселя в фазном проводе, чтобы получить приемлемую форму входного тока. При увеличении тока нагрузки растет падение напряжения на дросселе L1, напряжение на выходе моста еще более снижается. В результате вновь переключаются операционные усилители ОУ1, ОУ2, включается оптосиммистор V1, резонансные конденсаторы С1, С2 подсоединяются к дросселю L1, и входной ток становится близким к синусоидальному за счет фильтрации третьей гармоники. Рассмотренные пассивные корректоры устанавливаются по требованию заказчика в блоки питания и источники бесперебойного питания [4] ООО «АЭИЭП» (рис. 4). Рис. 4.

а) Блок питания DG800
б) блок питания VZ1200
в) источник бесперебойного питания ИБП600

Таблица 3. Параметры блоков питания с корректорами.

Название Мощность, Вт Uвх Uвых, В Iвых.макс, А Кол-во выходных каналов Габаритные размеры, мм Масса*, кг


Донник	400	115 В/400 Гц 220 В/50 Гц	12, 15, 18 24, 27, 60	33	1, 2, 3	110×74×217	2,5 (4)
Дягель	800	40	1, 2	152×80×305	3 (5)
Вяз	1200	24, 27, 48, 60	40	1, 2	240×140×385	10 (12,5)
Береза	2000	80	1, 2	230×215×382	12 (17)

* В скобках указан вес блоков с корректором.

Пассивные корректоры практически не уступают по габаритам и КПД активным, хотя в несколько раз тяжелее.

Но следует учесть, что пассивные корректоры, в отличие от активных, не увеличивают уровни радиопомех, а, наоборот, подавляют их за счет корректирующего дросселя L1.

Это позволяет использовать ИВЭП с БТВ и пассивными корректорами в медицине, технике, связи, измерительной и другой аппаратуре, где требуются низкие уровни помех.

Похожую проблему приходится решать и при создании трехфазных ИВЭП с БТВ; хотя получить фазный ток, по форме близкий к синусоиде, в таких ИВЭП значительно проще.

Известно, что в трехфазных ИВЭП в спектре входного тока отсутствуют гармоники, кратные трем, при этом коэффициент æ традиционного выпрямителя на основе трансформатора и трехфазного моста с LC-фильтром достигает 0,96. Но если на выходе моста оставить только емкость С1 (рис.

5), а такой конденсатор небольшой емкости необходим для работы большинства высокочастотных преобразователей, то коэффициент æ снижается до значения 0,7 [5], а форма фазного тока сильно искажается.

Рис. 5. Трехфазный мост с фильтром С и LC

Но стоит поставить между трехфазным мостом и конденсатором С1 небольшую индуктивность L1, как коэффициент æ значительно повышается, что объясняется высокой эффективностью подавления 5 из 7 гармоник индуктивностью L1, реактивное сопротивление которой хL1 = ω×L1 растет с увеличением частоты. На рис. 6 представлена зависимость коэффициента мощности фазного тока от значения х*, где х* — нормированная величина реактивного сопротивления индуктивности L1:

где U0, I0 — напряжение и ток на выходе моста.

Рис. 6. Зависимость коэффициента мощности фазного тока от значения x*

Судя по рис. 6, если значение х* близко к 0, то коэффициент мощности не превышает 0,7, а форма фазного тока сильно искажена (рис. 7а).

Рис. 7. Форма кривой фазной тока для трехфазного моста, работающего на емкость, с индуктивностью L1:

а) при х* = 0,025%
б) при х* = 2,25%, æ = 0,945
в) при х* = 2,25% для трехфазного традиционного ИВЭП с LС фильтром, æ = 0,945

На рис. 7 значения фазного тока iA нормированы относительно тока I0 (iA* = iA/I0).

Анализ показывает, что достаточно увеличить величину х* до 2,25%, как коэффициент æ повышается до значения 0,95. На рис. 7б показана форма фазного тока ИВЭП с БТВ, значение корректирующей индуктивности L1 которого посчитано по формуле:

Даже при такой незначительной индуктивности кривые фазного тока и коэффициентов æ ИВЭП с БТВ и традиционного трансформаторного ИВЭП с громоздким LC-фильтром (рис. 7в) практически не отличаются.

Конструктивные расчеты показывают, что объем дросселя, индуктивность которого рассчитана по формуле (3), не превышает 3–5% от объема трехфазного ИВЭП с БТВ. Пассивные корректоры установлены в большинстве зарубежных трехфазных ИВЭП с БТВ, мощностью сотни Вт – единицы кВт. На рис.

8 показан такой дроссель, который применила в трехфазном ИВЭП с БТВ мощностью 900 Вт фирма Mean Well.

Рис. 8. Внутреннее устройство в ИВЭП с БТВ мощностью 1 кВт (стрелкой показан дроссель L1)

Корректирующие дроссели устанавливаются в модулях КД 1200М, на базе которых выпускается блок питания «Береза М» (рис. 9) мощностью 2000 Вт, рассчитанный на трехфазную сеть 380 В без нулевого провода.

Рис. 9. Блок питания BR2000 («Береза М»)

Если предыдущий блок «Береза» подключался к трехфазной сети по цепи фаза-ноль и для получения синусоидального входного тока на входе каждого модуля устанавливался корректор массой ≈3,5 кг, то в блоке «Береза М» реализованы преимущества трехфазного подключения, и для получения такого же коэффициента æ на входе модуля необходим всего один дроссель с массой 0,8 кг.

Литература

Твердов И. и др. Модернизация сетевых фильтров радиопомех на предприятии «АЭИЭП» Электронные компоненты. 2005. № 8.
Redl R. Power-factor correction in bridge rectifier circuts with inductor and capacitor. APEC, 1995.
Твердов И. и др. Устройство коррекции коэффициента мощности. Патент РФ № 2328067, 2007.
Каталог продукции ООО «Александер Электрик источники электропитания» на диске, 2008, осень.
RayW. Effect от supply reactance on power factor. APEC, 1998.

Твердов Игорь «Компоненты и технологии»

ВСЕ СТАТЬИ

Page 4

В современном здании, в котором находится большое количество различных приёмников электроэнергии, возникает необходимость наличия системы заземления, которая обеспечивает электро- и пожарную безопасность, защиту дорогостоящего электронного оборудования, грозозащиту зданий. Ниже приведены некоторые выдержки из ПУЭ, которые касаются систем заземления и уравнивания потенциалов.

Основные требования ПУЭ по заземлению

Глава 7.1. ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ ЖИЛЫХ, ОБЩЕСТВЕННЫХ, АДМИНИСТРАТИВНЫХ И БЫТОВЫХ ЗДАНИЙ

7.1.13. Питание электроприемников должно выполняться от сети 380/220 В с системой заземления ТN-S или ТN-С-S.

При реконструкции жилых и общественных зданий, имеющих напряжение сети 220/127 В или 3 х 220 В, следует предусматривать перевод сети на напряжение 380/220 В с системой заземления ТN-S или ТN-С-S.

Источник: https://www.ivTechno.ru/articles-one?id=34

Спиральные антенны (расчет)

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ , ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ

Введение

Современное состояние техники связи радиодиапазона нельзя представить без спиральных антенн. Этот тип антенных систем используется благодаря своим характерным качеством: широкополосность, эллиптическая поляризация поля при малых габаритах и простой конструкции .

Спиральные антенны используются как самостоятельно, так и в качестве элементов антенной решётки, облучателя, например, зеркальной антенны, что к преимуществам спиральных антенн прибавляет и направленность.

Благодаря свойству эллиптической поляризации спиральные антенны нашли применение в техники космической связи, поскольку, в ряде случаев поляризация принимаемого сигнала может быть случайной, например, от объектов, положение которых в пространстве изменяется или может быть произвольным (эти объекты могут быть: самолёты, ракеты, спутники и т.д.)

В радиолокации антенны с вращающейся поляризацией позволяют уменьшить помехи создаваемые отражениями от осадков и от поверхности Земли, обусловленные тем, что направление вектора напряжённости электрического поля изменяется на обратное.

Поле с вращающейся поляризацией может применяться также при работе одной и той же антенны на передачу и приёма для увеличения развязки между каналами ( при этом излучаемые и принимаемые поля должны иметь противоположное направление вращение).

В настоящие время спиральные антенны широко применяются в качестве антенн устройств личной связи. Значительная доля сотовых телефонов, транковых аппаратов, и мобильных радиостанций содержат в своей конструкции спиральные антенны, работающие в режиме перпендикулярной оси излучения.

В настоящие время я собираюсь исследовать диаграммы направленности плоских спиральных и цилиндрических СА, проанализировать их зависимость от длинны, проследить изменение направленности при изменении параметров антенны. Так же сравнить характеристики СА между собой и с другими типами антенн.

В начале каждого раздела берется определенный тип СА. И дальше будут идти результаты компьютерного анализа для разных режимов и типов. Все расчеты и построения графиков будут проведены в программе МаthCAD 2001i.

Предполагается включение в приложения программ простейшего расчета характеристик спиральной антенны.
Особенностью теории СА является сложность расчета поля антенны.
Из различных конструкций диапазонных антенн эллиптической поляризации наибольшее применение получила спиральная антенна, предложенная Краусом в 1947 году, и ее различные модификации.
Чтобы иметь возможность производить расчет перечисленных характеристик и параметров СА в широком интервале частот, необходимо установить зависимость фазовых скоростей волн тока, распространяющихся вдоль провода в спирали от геометрии и частоты возбуждающего спираль напряжения.

Расчетам фазовой скорости волны тока, распространяющейсявдоль провода спирали, и установлению зависимости фазовых скоростей от геометрии и частоты возбуждающего спираль напряжения, посвящено много работ, первая попытка решения этой задачи принадлежит Поклингтону, который еще в 1897 году, решив задачу об определении фазовой скорости электромагнитной волны, распространяющейся вдоль прямого провода и вдоль кольца, пытался рассмотреть вопрос о распространении электромагнитной волны вдоль спирали. Это удалось ему сделать в ряде частных случаев. Если не считать отдельных работ в этом направлении, связанных с распространением электромагнитной волны в катушках интерес к этой теме возник в конце 40-х годов в связи с широким применением спиралей в качестве замедляющих структур.Глава 1. Типы спиральных антенн

1.1 Типы спиральных антенн

Среди различных типов широкополосных антенн важное место занимают разнообразные спиральные антенны. Спиральные антенны являются слабо- и средненаправленными широкополосными антеннами эллиптической и управляемой поляризации. Они применяются в качестве самостоятельных антенн, возбудителей волноводно-рупорных антенн эллиптической и управляемой поляризации, элементов антенных решеток.

Спиральные антенны – это антенны поверхностных волн. По виду направителя (замедляющей системы) и способу обеспечения работы в широком диапазоне частот их можно разделить на:
· цилиндрические регулярные, у которых геометрические параметры (шаг, радиус, диаметр провода) постоянны по всей длине и широкополосность обусловлена наличием дисперсии фазовой скорости;
· эквиугольные или частотно-независимые (конические, плоские);
· нерегулярные, к которым можно отнести все другие типы спиральных антенн.

Рис.1.1.1. Цилиндрические регулярные спиральные антенны:

а – однозаходная с односторонней намоткой;
б – многозаходная (четырехзаходная) с односторонней намоткой;
в – многозаходная (четырехзаходная) с двусторонней (встречной) намоткой.

Рис.1.1.2 Эквиугольные спиральные антенны:

а – коническая ;

б – плоская .

Рис.1.1. 3 Нерегулярные спиральные антенны:

а – плоская с постоянным шагом намотки (архимедова);
б – коническая с постоянным шагом намотки;
в – на поверхности эллипсоида вращения с постоянным углом намотки.

Рис.1.1.4 Нерегулярная цилиндрическая спиральная антенна (с переменным шагом)

По числу заходов (ветвей) и способу их намотки спиральные антенны могут быть одно- и многозаходные с односторонней или двусторонней (встречной) намотки.
Отсутствие или наличие дополнительного замедления фазовой скорости и способ его реализации позволяют разделить спиральные антенны на следующие типы:
· из гладкого провода в однородном диэлектрике (воздухе),
· из провода, обладающего собственным замедлением (импедансные спиральные антенны),
· из провода с собственным замедлением и с диэлектриком (импедансные спирально-диэлектрические антенны).

Рис. 1.1.5 Спиральные антенны с дополнительным замедлением:

а – импедансная;
б,в – спирально-диэлектрическая;
г – импедансная спирально-диэлектрическая.

Одним из основных свойств спиральных антенн является их способность работать в широкой полосе частот с коэффициентом перекрытия от 1.5 до 10 и более. Все спиральные антенны – это антенны бегущей волны, но одно обстоятельство само по себе не обуславливает работы спиральных антенн в диапазоне частот с таким коэффициентом перекрытия.

Работа однозаходных регулярных цилиндрических спиральных антенн и их модификаций в диапазоне частот возможна благодаря их дисперсионным свойствам, вследствие которых в широком диапазоне частот фазовая скорость поля вдоль оси спирали близка к скорости света, отражение от свободного конца спирали мало, длина волны в проводе спирали примерно равна длине витка.

В многозаходных цилиндрических спиральных антеннах рабочий диапазон дополнительно расширяется вследствие подавления в них ближайших низших и высших типов волн, искажающих диаграмму направленности основного типа.

Спиральные антенны с односторонней намоткой излучают поле с эллиптической, близкой к круговой, поляризацией. Направление вращения вектора поля соответствует направлению намотки спирали. Для получения линейной и управляемой поляризации используют спиральные антенны с двусторонней (встречной) намоткой.

Рис.1.1.6. Эквиугольные спиральные антенны с двусторонней (встречной) намоткой: а – коническая четырехзаходная; б – плоская трехзаходная.

Форма частотно-независимых (плоских и конических эквиугольных) спиральных антенн определяется только углами. Каждой длине волны в пределах рабочего диапазона соответствует излучающий участок неизменной формы и постоянных электрических размеров. Поэтому ширина диаграммы направленности и входного сопротивления приближенно остаются постоянными в весьма широких диапазонах частот (10:1 …20:1).

Для получения однонаправленного излучения с эллиптической поляризацией в меньших диапазонах частот (2:1 … 4:1) нет необходимости строго выдерживать форму антенны в соответствии с условием частотной независимости.

Если при переходе от одной длины волны к другой форма и электрические размеры излучающего элемента повторяются хотя бы приближенно, антенна работает в диапазоне частот с меньшим постоянством характеристик и параметров.

Следуя этому, можно построить очень широкое, не подчиняющееся точно принципу частотной независимости семейство антенн в виде одно- или многозаходных спиралей, навитых (по различным законам намотки) на различных поверхностях вращения. Иногда такие антенны называют квазичастотно-независимыми.

Квазичастотно-независимые спиральные антенны для получения управляемой и линейной поляризации также выполняются с двусторонней намоткой. Для получения управляемой, линейной и круговой поляризации могут также применяться различные (цилиндрические, эквиугольные и др.) двухзаходные спиральные антенны.

Рис.1.1.7. Квазичастотно-независимые спиральные антенны с двусторонней (встречной) намоткой и постоянным шагом: а – коническая четырехзаходная; б – полусферическая четырехзаходная; в – эллипсоидная четырехзаходная.

Рис.1.1.8. Двухзаходные спиральные антенны:

а – цилиндрическая однозаходная; б – эквиугольные коническая двузаходная.

Спиральные антенны позволяют формировать однонаправленные диаграммы направленности с шириной 2θ0,5 ≈(25…180)0 , тороидальные с шириной 2θ0,5 ≈(45…90)0 и воронковые с шириной 2θ0,5 ≈(40…60)0 . Поляризация излучения может быть эллиптической, близкой к круговой, управляемой, линейной.

В большинстве случаев основными требованиями к спиральным антеннам являются способность работать в широком диапазоне частот с коэффициетом перекрытия обычно от 1,5 до 10 и в отдельных случаях больше, обеспечение эллептической, близкой к круговой, или управляемой поляризации, а не стабильность характеристик и параметров.

Поэтому часто допускаются весьма значительные изменения характеристик и параметров в диапазоне частот: изменения ширины диаграммы направленности в полтора-два раза, увеличения коэффициента стоячей волны (КСВ) в отдельных точках диапазона до 1,5…2. Требования к уровню боковых лепестков и стабильности направления главного максимума также бывают не жесткими.

Очень часто допускается уровень боковых лепестков, достигающий 30% по полю, и изменение направления главного максимума до 10% от 2θ0 0,5 .

Основным элементом всех спиральных антенн является проволочный или ленточный виток длиной, приблизительно равной λ (диаметр ~ λ/π), обтекаемый бегущей волной тока. В подавляющем большинстве случаев спиральные антенны возбуждаются коаксиальной линией.

Поэтому по частотному диапазону область их применения на длинных волнах ограничена предельно допустимыми габаритами, а на коротких-достижимой точностью изготавления и технологичностью конструкции, высокочастотным пределом рабочего диапазона коаксиальных кабелей и возможностью конструктивной реализации нужной формы перехода от питающего коаксиального фидера к ветвям спиральной структуры.

Особенностью спиральных антенн является то, что они изготавливаются из тонких проводников круглого сечения или тонких металлических лент.

Концентрация поля на кромках проводящих поверхностей оказывается значительной, а зазоры между соседними витками в той части антенны, которая работает на высокочастотном краю диапазона, невелики.

Средний периметр сечения коаксиального кабеля, возбуждающего спиральную антенну, работающую на СВЧ, для исключения высших типов волн должен быть меньше λ, т.е. такие кабели имеют невысокую электрическую прочность. Следовательно, в диапазоне СВЧ спиральные антенны могут работать при малых и средних уровнях мощности (Р≤100 кВт).

Спиральная антенна любого типа (регулярная, эквиугольная, нерегулярная) может быть сконструирована для работы в полосе частот с коэффициентом перекрытия от 1,5 до 5 и более.

При этом надо иметь в виду, что у конических и плоских эквиугольных спиральных антенн, частотно-независимых в рабочем диапазоне частот, верхняя граница которого приближенно определяется поперечными размерами структуры у вершины, а нижняя-поперечными размерами структурами у основания, диаграммы направленности и входное сопротивление изменяются периодически как функция логарифма частоты, хотя и в небольших пределах.

Цилиндрические, плоские и конические спиральные антенны с постоянным шагом, а также спиральные антенны на поверхности различных тел вращения (кроме эквиугольных конических) не являются частотно-независимыми. Поэтому в рабочем диапазоне частот их диаграммы направленности изменяются более-менее монотонно.

У цилиндрических спиральных антенн с увеличением частоты диаграмма направленности сужается, а у плоских и конических с постоянным шагом-несколько расширяется.

У квазичастотно-независимых спиральных антенн изменения характеристик и параметров от частоты может быть различными в зависимости от закона изменения угла намотки по длине антенны и формы поверхности, на которой она намотана.

Из перечисленных типов антенн большей направленностью обладают цилиндрические спиральные и зигзагообразные антенны ( 2θ0,5 ≥300 , КНД≤25). Направленность частотно-независимых и квазичастотно-независимых антенн меньше ( 2θ0,5 ≥50…800 ;КНД≈2…12).

Различные типы спиральных антенн отличаются и по габаритам. Минимальные поперечные габариты имеют цилиндрические спиральные антенны, особенно-импедансные спирально-диэлектрические (2α Ј1 – , левая эллиптическая – при Ј1 + < Ј1 – , круговая— при Ј1 + =0 (Ј1 – =0).

4.2 Расчет диаграммы направленности плоской спиральной антенны

Диаграммы направленности плоских спиральных антеннмогут быть рассчитаны по следующим формулам:

, (4.2.1)

, (4.2.2)где

– электрический периметр активной области рабочей волны Тn ; Jn (x), J’n (x)—функция Бесселя n-го порядка и ее производная по аргументу.Произведем расчет диаграмм направленности по формулам (4.2.1),(4.2.2), при ка=1,5; ка=2; ка=3; ка=3,5.

При расчете используется приложение Mathcad 12.

Расчеты диаграмм направленности сведены в таблицы 1 и 2.

По расчётам построены диаграммы направленности рис.(4.2.1-4.2.9)Выводы

Для расчета характеристик и параметров спиральной антенны мы использовали знание фазовой скорости волны тока распространяющейся вдоль спирали; только зная эту величину мы произвели расчет характеристик направленности, коэффициента направленного действия, фазовых характеристик, поляризационных характеристик и входного сопротивления СА.
антенна спираль волна сотовый телефон
Литература