Калькулятор для расчета спиральной антенны
Прокрутите страницу ниже, чтобы увидеть дополнительную информацию о том, как правильно построить спираль, а также пояснения к ее отдельным свойствам.
|
Поля для заполнения выделены желтым цветом. Обычно достаточно ввести рабочую частоту (F) и количество витков спирали (n). |
F определяет частоту в МГц, на которой должна работать спираль. На более низких частотах (ниже ~ 500 МГц) для круговой поляризации обычно предпочтительнее использовать такие антенны, как кросс-диполь/кросс-яги, из-за большого размера спиральной антенны на этих длинах волн. На высоких микроволновых частотах (выше ~3000 МГц) линейные волноводные антенны и антенны с деполяризаторами становятся более удобными для проектов DIY. Конечно, если конструкция будет тщательно продумана и тщательно продумана, спиральные антенны могут прекрасно работать даже за пределами этого диапазона и фактически использовались на практике как любителями, так и профессионалами (например, большие спиральные антенны для радиолюбительского диапазона 2 м, или крошечные для Wi-Fi 5 ГГц или использования дронов/FPV).
Это вертикальное расстояние между витками спирали, выраженное в длинах волн и миллиметрах соответственно. Например, если предположить, что длина волны равна 100 мм, а S λ = 0,1, реальное расстояние витков S в конечном итоге составит 10 мм. Обычно рекомендуется расстояние витков 0,2–0,25, хотя на практике используются и такие расстояния, как 0,1 (например, большинство моих спутниковых антенн используют 0,14, в то время как я видел, что коммерческие антенны Inmarsat используют около 0,1). При использовании меньшего разноса количество витков необходимо соответственно увеличить, чтобы получить тот же коэффициент усиления и ширину луча.
Количество витков (вместе с расстоянием между витками) определяет усиление и ширину луча спиральной антенны. Увеличение количества витков также приводит к более высокому усилению и направленности. Чтобы спиральная антенна работала должным образом, она должна иметь как минимум ~3 витка. Максимальное количество витков практической спирали составляет ~ 16.
Это окружность воображаемого цилиндра, вокруг которого намотана спиральный проводник (между центрами проводника), выраженная в длинах волн. Идеальное значение для спиральной антенны — 1,0, хотя для экспериментов можно использовать и очень небольшие отклонения.
То же, что и рабочая частота F, за исключением преобразования в длину волны. Промежуточное значение используется в других уравнениях главным образом для простоты. В этом калькуляторе длина волны выражается в миллиметрах.
Это значение Sλ, выраженное в миллиметрах в соответствии с рабочей длиной волны.
Диаметр спиральной антенны, измеренный между центральными точками проводника.
То же, что и Sλ, за исключением того, что рассчитывается для текущей длины волны. Это значение вместе с диаметром D являются двумя важными измерениями для построения спиральной антенны.
Ширина луча половинной мощности представляет собой угол внутри главного лепестка антенны, при котором ее усиление превышает 50 % от пикового усиления (угол между точками главного лепестка -3 дБ).
Аналогично ширине луча половинной мощности, за исключением того, что первый нулевой угол оценивается между точками наименьшего усиления вокруг главного лепестка (нулевые значения).
Оценка пикового усиления спиральной антенны в dBi.
Оценка импеданса спиральной антенны. Обычно оно составляет около 140 Ом, хотя использование другого значения длины окружности может повлиять на это значение. Информацию о простых методах согласования импеданса можно найти ниже на этой странице.
Оценки ширины луча, усиления и импеданса предназначены только для информационных целей и могут сильно отличаться от реальных характеристик антенны. Джон Д. Краус даже отмечает, что формулы имеют тенденцию переоценивать выигрыш. Оценки станут значительно менее точными по мере добавления к антенне большего количества витков или при использовании очень малого или большого шага витков. Они также могут полностью отклоняться от реальности при использовании другой окружности. Когда некоторые свойства спирали преувеличены, расчетный коэффициент усиления может быть очень высоким, а луч очень узким, тогда как в реальном мире все происходит с точностью до наоборот. Кроме того, даже на микроволновых частотах, когда антенна используется вблизи уровня земли, форма ее луча будет во многом зависеть от ее ориентации и угла места. Иногда главный лепесток спиральной антенны может даже не совпадать с ее длинной осью.
Будьте реалистичны в своих ожиданиях: если теоретическая производительность, показанная этим калькулятором, кажется слишком хорошей, чтобы быть правдой, то, вероятно, так оно и есть. После создания спирали проведите несколько тестов, чтобы оценить ее эффективность и при необходимости отрегулировать ее. Для приложений общего назначения, предназначенных только для приема (или передачи с очень низкой мощностью), основанных на уже проверенных спецификациях, оценки будут достаточно хорошими.
Прогнозируемая общая высота спирали. Сюда не входят такие вещи, как пластина отражателя или разъем, которые увеличивают общую высоту, или согласование импеданса, которое может уменьшить высоту.
Это показывает угол, под которым намотан спиральный проводник. При использовании окружности C λ равной 1, это, по сути, выражает то же самое, что и расстояние витков Sλ. Как и в случае с высотой A, здесь не учитывается изменение угла наклона на любых участках спирали, согласующих импеданс.
Длина проводника, используемая для 1 нормального витка спирали.
Это примерное количество проводника (провода, трубки и т. д.), которое вам понадобится, чтобы намотать спираль. Еще раз: это не учитывает такие вещи, как согласование импедансов или недостатки конструкции, поэтому всегда оставляйте себе дополнительную длину, если вы обрезаете её заранее.
Это подскажет вам, к какому диаметру следует стремиться при выборе проводника для изготовления спирали. Однако, как было доказано многими людьми, это не является критическим ограничением конструкции, особенно при использовании проводника тоньше рекомендованного.
Эти два значения определяют диапазон диаметра круглой отражательной пластины, используемой со спиральной антенной. На практике часто используются квадратные отражатели, и в этом случае два значения определяют диапазон длин сторон квадрата. Можно использовать отражатели меньшего или большего размера, но они могут оказать неожиданное влияние на усиление или диаграмму направленности. Другие типы отражателей (например, «чашки» или «конусы») иногда также используются для увеличения усиления и направленности.
В зависимости от способа намотки спирального проводника результирующая антенна будет либо с правой круговой поляризацией (RHCP), либо с левой круговой поляризацией (LHCP). Антенна RHCP не сможет принимать сигналы LHCP, а антенна LHCP не сможет принимать сигналы RHCP. Это происходит из-за теоретической бесконечной потери несоответствия в дБ между RHCP и LHCP, хотя в реальном мире, где ни одна антенна не идеальна, даже спираль RHCP будет иметь (сильно подавленную) компоненту LHCP.
Поляризацию спирали можно определить, посмотрев вниз на один из ее концов; если проводник вращается по часовой стрелке - то спираль RHCP, если против часовой стрелки - то LHCP. Поскольку поначалу это может показаться странным, я создал изображение, иллюстрирующее визуальную разницу между двумя поляризациями;
Продолжая тему поляризации, отметим, что одним из свойств радиоволн с круговой поляризацией является то, что поляризация инвертируется при отражении от поверхности. Сюда также входит отражатель тарелочной антенны.
При использовании спиральной антенны в качестве тарелки важно использовать круговую (эллиптическую) поляризацию, противоположную сигналу, который вы хотите получить. Например, если вы хотите получать сигнал RHCP с помощью антенны, питающей спираль, то спираль должна быть LHCP.
В редких случаях зеркального отражателя с дополнительными субрефлекторами (григорианскими, кассегреновскими) необходимо учитывать правильный переворот поляризации для каждого субрефлектора.
Спиральная антенна в нормальной конфигурации имеет высокое сопротивление 140 Ом. В идеале его следует уменьшить примерно до 50 Ом, чтобы минимизировать потери из-за несогласования между спиралью и коаксиальным разъемом и кабелем. Один простой способ сделать это — деформировать часть первого витка так, чтобы его шаг постепенно менялся: от почти параллельного отражателю до номинального шага остальной части спирали.
Другой распространенный метод согласования импеданса спирали - добавление проводящей полоски к первой четверти витка. Это увеличивает площадь поверхности спирального проводника и образует «конденсатор» с пластиной отражателя.
Пример спиральной антенны, использующей оба метода, можно увидеть ниже.
Модель каркаса антенны 1,5 GHz для спутников Inmarsat, Iridium, Cospas-Sarsat, ...
Материал перевёл и подготовил RA3TOX
[ На главную ] [ Антенны ]