Спиральные антенны
Карл Ротхаммель. Антенны
Спиральная антенна отличается от других антенн, обладающих направленным излучением, в первую очередь тем, что ее поле излучения имеет круговую поляризацию. В случае применения такой антенны необходимо, чтобы как передающая, так и приемная антенны имели круговую поляризацию излучения.
Круговая поляризация имеет место, когда проводник наматывается в направлении излучения в виде спирали, причем необходимо, чтобы общая длина проводника в одном витке равнялась 1λ, что соответствует при учете коэффициента укорочения диаметру витка D, равному приблизительно 0,31 λ. Предполагается, что для получения круговой поляризации используется по меньшей мере три витка, так как пляризация излучения будет тем ближе к круговой, чем больше витков имеет антенна. Простая спиральная антенна излучает в обе стороны в направлении своей оси. Для получения одностороннего излучения и увеличения коэффициента усиления антенны используется дисковый рефлектор,
Схематическое изображение спиральной антенны с необходимыми размерами приведено на рис. 11-11.
Рис. 11-11. Схематическое изображение спиральной антенны.
Спираль изображена на этом рисунке упрощенно. Диаметр спирали D, см, равный 0,31 λ, может быть рассчитан по отношению к частоте f, МГц, по формуле
D=9300/f
Зная диаметр витка, можно определить длину проводника, образующего виток L:
L = D•3,14
К важным конструктивным размерам этой антенны относится также угол подъема спирали, который может меняться в пределах от 6° до 24°, Однако на практике наиболее часто угол подъема спирали выбирают равным 14°, так как при этом антенна имеет оптимальные электрические параметры. При угле подъема спирали 14° расстояние между витками S равно 0,24 λ. Это расстояние S, см, относительно частоты f, МГц, можно рассчитать по формуле:
S=7200/f
Диаметр дискового рефлектора выбирается небольшим, но всегда больше 0,5 λ, так как при этом входное сопротивление спиральной антенны при подключении рефлектора изменяется незначительно. При больших диаметрах рефлектора увеличивается обратное ослабление. Наиболее часто диаметр рефлектора выбирают равным удвоенному значению диаметра витка спиральной антенны, т, е. 0,62 λ. Рефлекторы могут быть как дисковыми, так и квадратными. В диапазоне дециметровых волн рефлекторы можно изготовлять из жести а в диапазоне УКВ рефлекторы изготовляются обычно таким образом, как показано на рис. 11-12 или 11-15. Расстояние между рефлектором и началом спирали целесообразно выбрать равным 0,13 λ. Относительно частоты f, МГц это расстояние А, см, может быть определено по формуле:
A=3900/f
Рис. 11-12. Простой рефлектор для спиральной антенны.
Входное сопротивление спиральной антенны почти не имеет реактивных составляющих и равно 120-15Ом в зависимости от размеров спирали. Питание антенны несимметричное с помощью коаксиального кабеля.
Спиральная антенна обладает широкой полосой пропускания, При расстоянии между витками S = 0,24 λ и допущении максимального КСВ в линии питания (1,35) соотношение частот, в пределах которых антенна работает удовлетворительно, равно 1:1,6.
Коэффициент усиления спиральной антенны зависит от числа витков, шага намотки S и длины витка спирали I и увеличивается приблизительно пропорционально с увеличением числа витков. При углах подъема спирали, равных 12—15°, и при наличии по крайней мере трех витков в спиральной антенне ее коэффициент усиления может быть рассчитан по формуле:
G [дБ] = 10log LogL2Sn•15.
При обычных на практике размерах шага намотки спирали S = 0,24λ и диаметре витка D = 0,31λ коэффициенты усиления (дБ) спиральной антенны, рассчитанные по этой формуле, при различном числе витков принимают следующие значения:
3 витка — 10,1 дБ;
4 витка — 11,3 дБ:
5 витка — 12 З дБ;
6 витка — 13,1 дБ;
7 витка — 13,8 дБ;
8 витка —14,4 дБ;
9 витка — 14,9 дБ;
10 витка — 15,3 дБ;
11 витка —15,7 дБ;
12 витков - 16,1 дб.
Если электромагнитные волны с круговой поляризацией принимаются на антенну, обладающую линейной поляризацией, то в этом случае теряется половина энергии, переносимой электромагнитными волнами соответствует потерям в 3 дБ. Однако с помощью спиральных антенн можно излучать или принимать линейно-поляризованные электромагнитные волны.
Для этого используют группу из двух спиральных антенн с противоположной намоткой (т. е. если одна антенна имеет правостороннюю намотку, то вторая - левостороннюю) При этом если эти две антенны располагаются рядом друг с другом в горизонтальной плоскости, то поляризация горизонтальная, а если они располагаются одна над другой в вертикальной плоскости, то поляризация поля вертикальная. Если обе спиральные антенны имеют одну и ту же намотку, то поляризация поля остается круговой, но параллельное соединение двух спиральных антенн дает очень удобное с точки зрения согласования антенны с линией передачи входное сопротивление (65-70 Ом). В этом случае становится возможным без включения дополнительных трансформирующих устройств непосредственно питать антенну при помощи обычного коаксиального кабеля. По сравнению с антенной «волновой канал», имеющей равное усиление со спиральной антенной, последняя занимает несколько меньше места и, кроме того, обладает полосой пропускания, значительно превосходящей полосу пропускания антенны «волновой канал».
Согласование входного сопротивления спиральной антенны с волновым сопротивлением линии передачи удобнее всего осуществлять с помощью коаксиального четвертьволнового трансформатора, сопротивление которого рассчитывается по известной формуле
Если положить входное сопротивление спиральной антенны Za равным 125 Ом и потребовать согласования этого сопротивления с коаксиальным кабелем, имеющим волновое сопротивление 60 Ом, то волновое сопротивление такого концентрического четвертьволнового трансформатора должно быть равно:
Из ранее приведенного графика рис. 1-25 видно, что концентрическая линия имеет волновое сопротивление 87 Ом, когда отношение внешнего диаметра внутреннего проводника к внутреннему диаметру наружного проводника равно 1:4,4.
Рис. 11-13. Конструкция концентрического четвертьволнового согласующего трансформатора для спиральной антенны.
а — продольный разрез; б — поперечный разрез
На рис. 11-13 показана практическая конструкция оформления четвертьволнового трансформатора со всеми необходимыми размерами. Общая длина согласующего устройства с учетом коэффициента укорочения равна 0,24 λ.
Рис. 11-14. Спиральная антенна для диапазона 2 м.
На рис. 11-14 показана спиральная антенна, рассчитанная на диапазон 2 м. Размеры спиральной антенны дял диапазона 70 см обозначены в скобках. В данном случае диаметр рефлектора был выбран равным 1 λ. Разумеется, диаметр рефлектора может быть уменьшен до 0,62 λ без изменения всех остальных размеров антенны.
Для изготовления спирали особенно подходит 10-мм дюралевый npyт. обычно применяемый для громоотводов, так как его очень легко сгибать. Спираль укрепляется на деревянных планках а вся антенна в точке ее центра тяжести крепится к деревянной несущей мачте.
На рис.11-15 изображена спиральная антенна, выполненная радиолюбителем DL6MH.
Рис. 11-15. Внешний вид спиральной антенны DL6MH.
В случае приема электромагнитных волн с круговой поляризацией на антенну, имеющую линейную поляризацию, из падающей волны извлекается только половина переносимой излучением энергии что соответствует уменьшению усиления на 3 дБ. Однако с помощью спиральных антенн можно получать и линейно-поляризованную волну.
Для этого две одинаковые спиральные антенны объединяют в группу (как показано на рис. 11-16), но при этом каждая спираль имеет различное направление намотки (одна спираль , правая, а вторая — левая).
Рис. 11-16, Линейная поляризация, получаемая с помощью двух спиральных антенн с противоположной намоткой.
а - параллельное включение, б - последовательное включение; 1 - левая намотка, 2 - направление излучения, 3 - правая намотка, 4 - кабель питания 60 Ом.
В случае одинакового направления намотки спирали поляризация излучения группы спиральных антенн остается круговой. Горизонтальная поляризация получается при расположении двух спиралей с противоположной намоткой в горизонтальной плоскости, а вертикальная поляризация - при расположении спиралей в вертикальной плоскости.
На рис 11-17 изображена спиральная антенна на 1295 МГц предложенная UI8AAD и UI8ABW «Радио», 1969, № 2, с, 17—18.). Она имеет четыре спирали, установленные на общем щите-рефлекторе. Поляризация поля круговая. Такая антенна достаточно широкополосная и может применяться в диапазоне 1215-1300 МГц.
Диаметр витков спирали выбран с учетом коэффициента укорочения 0,13 λ. Угол подъема спирали 14°, что соответствует расстоянию между витками 0,24 λ; при этом антенна имеет оптимальные электрические параметры.
Конструкция антенны и ее основные детали показаны на рис. 11-18,а. Спираль 1, состоящая из 7 витков, выполнена из посеребренного медного провода диаметрам 3,5 мм. Диаметр намотки 71,3 мм; намотка всех 4 спиралей в одну сторону. Несущие планки 2 изготовлены из органического стекла толщиной 5 мм. Для увеличения жесткости к несущей планке снизу приклеивают дихлорэтаном планку 3 из органического стекла, котооая несколько короче несущей планки. Затем предварительно растянутые спирали ввинчивают в несущую планку. Последний виток спирали закрепλют с обеих сторон двумя гайками МЗ (4). На другом конце спирали перпендикулярно оси провода просверливают отверстие с резьбой М2 (5) для крепления жилы кабеля.
К несущей планке двумя болтами М3 (6, 18) привинчивают уголок 7 из дюралюминия для крепления к щиту-рефлектору. Щит-рефлектор 8 изготовлен из твердого дюралюминия толщиной 2 мм. Несущие планки со спиралями крепят двумя болтами М3 к рефлектору так, чтобы концы спиралей находились против отверстий 9.
К латунному согласующему стакану 10 припаивают гнездо антенного разъема 11. Предварительно к контакту гнезда припаивают согласующий стержень 12. Соотношение наружного диаметра стержня к внутреннему диаметру стакана согласующего трансформатора составляет 2,46, что обеспечивает согласование антенны с коаксиальным кабелем. В отверстия 13 в нижней части стакана вставляют 4 отрезка высокочастотного коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 120—130 Ом длиной 35—45 см (в крайнем случае можно использовать кабель с сопротивлением 75 Ом; эффективность антенны при этом несколько понижается). Центральные жилы кабелей вставляют в отверстия 14, просверленные перпендикулярно друг другу, и припаивают к стержню через отверстие 15, а оплетки кабелей — к наружной стороне стакана. Оплетку на противоположных концах отрезков кабелей припаивают к латунным фланцам 16, имеющим 3 отверстия с резьбой МЗ (17, 18) для крепления к рефлектору. Собранный согласующий трансформатор крепят четырьмя болтами МЗ в центре щита-рефлектора с его обратной стороны.
Рис. 11-18. Элементы конструкции спиральной антенны, а — размеры элементов, б — узлы антенны в сборе.
Фланцы 16 с кабелем привинчивают винтами МЗ к рефлектору. Затем центральные жилы кабелей крепят с помощью винтов М2 (19) к концам спиралей.
Для того чтобы антенна имела более жесткую конструкцию, в центре щита с лицевой его стороны под болты 18, крепящие согласующий трансформатор, крепят также фланец 20, в который вставляют и приклепывают несущую штангу 21 из текстолита или другого изоляционного материала. К другому концу штанги при помощи фланца 22 и болтов 23 крепят перпендикулярно друг другу две планки 24 из органического стекла. Концы этих планок привинчиваются винтами МЗ (25) к торцам несущих планок 2.
К антенному разъему 11 подключают кабель с волновым сопротивлением 75 Ом. Следует отметить, что антенна остронаправленная в обеих плоскостях и требует при установлении связи с корреспондентом вращения как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.
[ На главную ] [ Антенны ]