Малогабаритная спиральная кольцевая УКВ-АНТЕННА

С ростом популярности мобильной радиосвязи увеличивается интерес радиолюбителей к малогабаритным антеннам. Кроме классических дипольных излучателей, в последнее время распространение получают малогабаритные петлевые антенны и спиральные (helix) антенны. Однако спиральным антеннам требуется противовес, т.е. их параметры во многом зависят от свойств окружающей среды. Непредсказуемое изменение параметров таких антенн в зависимости от условий эксплуатации вынуждает конструкторов обратить внимание на другие типы излучающих устройств, которые лишены указанных недостатков.

Японскими специалистами Hideyuki Nebiya, JE1BQE, Nozomu Hasebe и Satoshi Nagasawa предложена небольшая УКВ-антенна с относительно высоким коэффициентом усиления, диаграмма направленности которой совпадает с аналогичным параметром полноразмерной петлевой антенны. В то же время, предлагаемая антенна не требует противовеса и без проблем может быть подключена к коаксиальному кабелю.

Антенна изготавливается в форме тороидальной катушки из провода длиной 1,5...1,6l. Конструкция антенны показана на рисунке. В отличие от прямой спиральной антенны, имеющей строго определенную длину, описываемое устройство представляет собой тороидальную катушку из провода, намотанного по спирали. Наружный диаметр катушки колеблется от 1/15l до 1/5l, число витков — 18...34; при этом угол излучения может быть в пределах 4...34°. Магнитная составляющая излучения невелика, и уровень напряженности магнитного поля в ближней зоне антенны меньше электрической компоненты на 10 дБ. Это отличает спиральную антенну от малогабаритной магнитной вертикально поляризованной рамочной антенны.

Для оптимизации параметров конструкции были измерены и рассчитаны резонансная частота, распределение излучения, коэффициент усиления и другие характеристики антенны. Теоретический анализ проводился с помощью классического метода EMF (косинусои-дального распределения тока вдоль элементов антенны) и метода моментов. Выяснилось, что используя метод моментов, достаточно точно рассчитывается резонансная частота, а классическим методом — коэффициент усиления

антенны, направление излучения и его сопротивление. Таким образом, расчетным путем можно определить параметры антенны для требуемого диапазона. На пути создания подобной антенны для КВ-диапазонов необходимо лишь преодолеть трудности изготовления механически жесткой конструкции.

Для рассматриваемой спиральной антенны справедливы следующие соотношения:

где L — заранее заданная длина провода;

- n — число витков с радиусом s;

- а — угол между витками;

- li — длина окружности с радиусом а;

- lp/n — длина окружности одного витка с радиусом s.

Для прямой спиральной антенны отношение резонансной частоты к fo (fo=c/L, где с — скорость света, L — длина провода) непрерывно увеличивается с уменьшением а и увеличением числа витков п (fрез/fo=1.3...1,9). Для полноразмерной петлевой антенны в форме кольца резонансная частота fрез=1,07 fо (при L=1 м), и входной импеданс составляет 130 Ом. Преимуществом спиральной кольцевой антенны является возможность непосредственного подключения к ней коаксиального кабеля, который не оказывает влияния на резонансную частоту антенны.

Если уменьшать угол а или радиус s, увеличивается паразитная емкость между витками. Фазовая скорость при этом отличается от фазовой скорости в прямой спиральной антенне.

Схема

Результаты измерений нескольких экземпляров изготовленных антенн показывают, что отношение fрез/fo для частот от 400 до 500 МГц составляет около 1,6. Этот коэффициент изменяется с частотой. Так, на 144 МГц он равен 1,50. Результаты измерений хорошо согласуются с расчетными данными по методу моментов, если fpe3/fo умножить на коэффициент компенсации, который в данном случае равен 0,81/cos(1,3a).

При рассмотрении характеристики излучения спиральной кольцевой антенны в качестве позитивного фактора можно отметить, что максимум напряженности магнитного поля во всех плоскостях не менее чем на 10 дБ (обычно -13 дБ) ниже напряженности электрического поля.

Диаграмма направленности кольцевой спиральной антенны совпадает с диаграммой направленности полноразмерной петлевой антенны (т.е. имеет форму "восьмерки"), однако спиральная антенна излучает в горизонтальной плоскости (при горизонтальном размещении антенны), причем форма диаграммы направленности совпадает с диаграммой направленности полуволнового диполя. Для работы с вертикальной поляризацией антенну следует располагать вертикально и запитывать горизонтально. При внешнем диаметре всего лишь 0,176l. антенна имеет достаточно хороший коэффициент усиления (2 dBi) и широкую рабочую полосу частот (около 4% по уровню КСВ<2).

В таблице приведены размеры и характеристики излучения четырех опытных образцов, имеющих различные углы а.

Опытный образец

A

B

C

D

Угол a

17,0

10,2

7,0

5,0

Число витков n

21

21

27

34

Относительный размер антенны

(отношение L к внешнему диаметру катушки)

0,176

0,117

0,084

0,064

Относительный диаметр провода (Dпров/L)

0,0026

0,0026

0,0020

0,0013

Отношение fрез/fo

1,6

1,6

1,65

1,68

Коэффициент усиления G, dBi

2,0

1,2

0,5

-0,5

КПД, %

95,5

83,2

72,4

58.9

Ширина полосы по уровню КСВ<2, %

4,2

1,4

0,4

0,4

Даже образец С показывает более высокий коэффициент излучения, чем петлевая антенна такого же диаметра (G=-2,2 dBi, КПД — 40%).

Расчет кольцевой спиральной антенны очень прост. Произведение нужной длины волны (l) на коэффициент к дает длину провода L, т.е.

L = кl.

Радиус а рассчитывается по формуле:

Диаметр витка 2s:

Для оптимального угла излучения 17° и 21-го витка спирали, взяв за основу расчета k=1,6, получаем, что в диапазоне 435 МГц антенна должна иметь следующие конструктивные параметры: длина провода L — 110 см, радиус а — 5,1 см, диаметр спирали 2s — 1,66 см. Диаметр проволоки на практике некритичен, но для повышения механической прочности он должен составлять 1,2...1,6 мм.

Для диапазона 145 МГц (к=1,6) при угле излучения 17° и 21-м витке спирали длина провода L получается равной 3,1 м; радиус а — 14,4 см; диаметр спирали 2s — 4,7 см. При изготовлении антенны придется предусмотреть элементы, обеспечивающие жесткость конструкции.

По материалам статьи "Spiralformige Ringantenne mit kleinen Abmessungen", Funkamateur, 2002, N8.
Подготовила Ж.Клечковская.

РМ. КВ и УКВ 1-2003