Спиральная антенна своими руками

Самодельная спиральная антенна для эфирного цифрового телевидения

  Этот тип антенн
хорошо подходит для дальнего приёма эфирного  телевизионного цифрового сигнала. Подкупает
простота изделия, всего две основные детали: отражатель из снегоуборочной
лопаты и спираль из мотка силового провода.

Ни одного паяного соединения, всё
на винтах и скрутке.  Нет сложных
согласующих элементов. Тем не менее, коэффициент усиления конструкции достигает
более 10 дБ, что позволяет использовать её в некоторых случаях без усилителя.

Именно на эту  антенну без усилителя я
принял за городом цифровой телевизионный сигнал.

Фото 1. Конструкция спиральной антенны.

 Хочу напомнить, что
любая дециметровая антенна годится для цифрового канала вещания, разница будет
только в дальности приёма.  Но не всякая
антенна обеспечит максимальный коэффициент усиления и согласования именно на нужной
частоте. Какая бы сложная антенна не была, она имеет провалы и пики усиления во
всём своём диапазоне принимаемых частот.

   Именно
спиральные антенны следили за полётом первого космонавта Юрия Гагарина.  Когда первые советские луноходы, ориентируя
спирали, бороздили поверхность Луны, я мечтал сделать такую же космическую
антенну.

Фото 2.

 Нет ничего хуже
незавершенных дел. За основу выбираю самую простую из всех типов спиральных
антенн. Это однозаходная, спиральная, цилиндрическая (бывает ещё коническая),
регулярная, то есть с постоянным шагом намотки или одинаковым расстоянием между
витками. Таким образом, уже название антенны говорит о её конструкции. Именно
такую конструкцию впервые предложил  Kraus J.D.

«Helical  beam  antenna». – «Electronics»,
1947 год. V20, N4. Р. 109.

 Рекомендую для
радиолюбителей лучшую настольную книгу «Антенны»,
издание 11, том 2. Автор Карл Ротхаммель. В книге собрано много
практического материала почти всем видам антенн. Характеристики, параметры,
практические расчёты, рекомендации.

                
 Из этого издания я привожу характеристики
спиральной антенны.

Рис. 1.

 Необходимо узнать на
какой частоте в вашем регионе идёт цифровое вещание и значение этой частоты
перевести в метры. Длина волны в метрах = 300 / F (частота в МГц).

 Для московских частот
вещания двух цифровых пакетов, я выбрал среднюю частоту 522 МГц, что
соответствует длине волны  лямбда 57 см.
В этом случае диаметр витка равен D = 17,7 см, расстояние между витками
13,7 см, расстояние от экрана до витка 7,4 см, а ширина экрана должна уложиться
в 35 см.

   В
качестве экрана (отражателя) мне потребовалась неправильная снегоуборочная
лопата из красивой блестящей нержавейки, постоянно гнущейся под тяжестью снега.
Практика показывает, что отражатель не обязательно должен быть круглым, а
делать  сторону квадрата более двух
диаметров витка спирали нет смысла.

  Спираль
я сделал из сетевого силового провода диаметром около 2 мм, используя одну
из  его жил, не снимая с неё изоляцию,
так как она прозрачна для радиоволн, а медная проволока не окисляется в ней под
воздействием внешней среды. На практике толщина провода оказалась почти в 5 раз
меньше теоретической, вот почему диапазон антенны получился узким.

Не рекомендую сильно увлекаться длиной кабеля, особенно если антенна
без усилителя, так как в его каждом метре теряется от 0,5 до 1 дБ усиления и
длинному кабелю потребуется согласующее устройство. В своей конструкции я
использовал 3-и метра кабеля.

Рис. 2.

   Всего-то дел, намотать спираль, подсоединить к
проводнику спирали кабель и прикрепить всё это к полотну лопаты.

Но
диэлектрического цилиндра нужного диаметра для фиксации провода спирали у меня
не оказалось, и поэтому в качестве каркаса я использовал рейки и лист сухой
фанеры, перенеся на неё размеры антенны с эскиза.

Было бы круче, если бы
использовались черенки от лопат  вместо
реек и фанеры, но я собирал только макет, и мне было удобно сделать всё на
фанере. Когда обечайка стала обволакиваться проводом, самоделка была похожа на
корпус летательного аппарата.

Со стороны это выглядело менее безобидно, если бы
я стал гнуть витки из медной трубки, как хотел раньше. Как я уже говорил, такую
антенну удобно спрятать под конёк дома с крышей из мягкой кровли, андулина или
шифера, прозрачной для радиоволн.

Фото 3. Испытание макета антенны.

  Для проверки антенны я использовал комнату
мансарды, где с помощью лестницы приподнял самоделку поближе к потолку. В этом
месте раньше работала фазированная рамка с усилителем 35 дБ и с трудом покупная комнатная антенна с усилителем 30 дБ. Место испытание тоже. Владимирская
область, 90 км на восток от Останкино. Теперь здесь работает спиральная антенна
без усилителя. Она «видит» телецентр через: вагонку, пергамин, 10 см
базальтовой ваты, доску обрешётки, фанеру OSB, подстилочный ковёр, чешую мягкой кровли и сгусток гвоздей
разной длины.  Остаётся закрепить её ещё
выше, под конёк дома или разобрать, ведь это всего только макет.

Фото 4. Фанеру закрепил пластмассовым уголком.

Фото 5. Размер и шаг предыдущих конструкций антенн почти совпадают.

Фото 6. Регулировка согласующего устройства.

Для улучшения
параметров антенны не помешает применить согласующее устройство –
трансформатор, обеспечивающий переход с сопротивления  антенны равного 180 Ом на коаксиальный кабель
с сопротивлением 75 Ом . Это пластинка из тонкой меди в виде треугольника,
расширяющегося к экрану.

Место крепления пластинки и её размеры я подобрал
экспериментальным путём, применив две пластмассовые прищепки. В домашних
условиях это легко сделать с помощью телевизора, спустив антенну на более
низкий уровень, при котором изображение будет «заснеженным».

Необходимо двигать,
поворачивая пластинку, и на слух, по уменьшению уровня шума в аудио канале при
приёме аналогового сигнала, близкого по частоте к цифровому пакету, определить
её местоположение. После чего запаять.

  Несмотря на нелепость
формы у этой антенны есть преимущество. Она без усилителя, который после
разрядов молний часто вылетает. На практике два раза усилители выходили из
строя во время грозы у наружных антенн, расположенных в 30-и метрах от столба
воздушной электропроводки, в который попадали молнии. У антенны расположенной
под крышей дома, в шести метрах от столба-разрядника, случаи выхода усилителя
из строя не зарегистрированы.

 Ещё одно преимущество
в том, что дальность этой антенны с усилителем будет больше, на сколько, проверьте
сами.

                                     Дополнение. Изменение конструкции антенны.

 В этом году (2015) я
решил доработать самодельную конструкцию спиральной антенны, используя вместо
провода металлопластиковую трубку (металлопласт) диаметром 16 мм.

Ранее
собранные антенны уже прошли аналогичную операцию и заметно оживились.

Претерпела оздоровление и спиральная антенна, но не обольщайтесь, прирост
уровня сигнала составил  только 10
процентов, а качество сигнала осталось на том же стопроцентном уровне.

Фото 7. Старая антенна.

Фото 8. Изменение конструкции.

 Давно хотел сделать
антенну, используя в качестве материала трубку. Останавливала схожесть с
самогонным аппаратом и высокая себестоимость. Но вот материал найден и уже
испытан на простых антеннах.  Это легко
гнущаяся трубка из высококачественного алюминия, обтянутого со всех сторон
пластиком, продаётся на всех строительных рынках  для прокладки водопровода.

Фото 10. Новая конструкция.

Фото 9. Банка — оправка.

                                                 Экономический

 расчёт       антенны.

 Этот  сложный расчёт мне пришлось проделать, зайдя
в магазин «Всё для дома», на самой окраине Подмосковья и увидев металлопласт по
цене 45 руб.  Длина волны, частоты вещания,
длина круга, число витков, усиление антенны….

— 4 метра выпалил я на кассе, подведя итог экономической
части проекта. Себестоимость антенны не должна превысить минимальную акцизную
стоимость бутылки водки.

                                                              Расчёт антенны.

  Чисто по
экономическим соображениям получилось 6,5 витков, на полвитка меньше предыдущей
проволочной самоделки. Так же между витками я взял расстояние равное четвёртой
части длины волны.

Аналогичным образом подсчитал длину одного витка, но по
практическим соображениям, уже имея опыт по изготовлению простых  петлевых антенн, скорректировал  зависимость металлопласта от частоты, сократил
длину витка на 1,5 см.

                                                                          
Регулировка.

Фото 11. Самодельный КСВ-метр  с генератором.

 Она заключалась в
измерении КСВ (коэффициента стоячей волны) самодельным КСВ-метром. Первоначально
я измерил старую самоделку. Странно, но прибор заявлял об отличном согласовании
с 50 Ом нагрузкой (КСВ = 1,5). С доработанной антенной тоже всё совпало,
правда, при запитке с края полотна. Но конструктивно, уже впоследствии, я
задействовал кабель по центру и КСВ упал до 2. Очень полезным оказался
простенький самодельный КСВ-метр, совмещённый с самодельным генератором,
настроенным на цифровые частоты вещания. С его помощью я смог не только
определить КСВ антенны, но и проверить её работоспособность, когда каждый виток
реагировал на подносимую крышку от кастрюльки качанием стрелки микроамперметра.

                                                                             
 Итоги.

 Изменение конструкции
добавило прирост усиления на 10 процентов, и это при том, что в антенне на
пол витка меньше. В целом она принимает программы в дециметровом диапазоне,
работая в аналоговом режиме, не хуже антенны типа «волновой канал» (Уда – Яги),
включающей  в себя 12 директоров и
усилитель с заявленным усилением не менее 26 дБ.

 Обе антенны расположены в одинаковых условиях
на одном уровне от земли. Разница лишь в том, что работа покупной антенны, при
приёме эфирного цифрового сигнала, зависит от погоды и времени дня, симулируя
ухудшение прохождения радиоволн характерным крякающим звуком и зависанием
телевизионных картинок, а то и полным отсутствием изображения.

 Радиоприём с самодельной антенной всегда
постоянен.

  Но в целом я остался
недоволен данной конструкцией, поскольку ожидал от неё нечто большего, исключительно
исходя из её габаритов и затраченных средств.

Фото 12. Антенна из дух колец.

Фото 13. Антенна из двух колец

 Два фазированных  кольца и шесть закрученных в спираль, дают усиление
в теории 6 дБ и 10 дБ.

Два кольца на открытом воздухе и 6,5 колец под крышей,
на одинаковом уровне от земли и при практическом одинаковом  уровне усиления в процентах. Может крыша и
съела разницу в 4 дБ, а может реально трудно заметить эту разницу? В тоже время
не выставлять же этот змеевик на улицу, открывая этим тему для лишних
разговоров.

 Упал ли я духом?
Нет!  Радиолюбительство —  источник удовольствия. Займитесь
радиолюбительством, ведь это интересно. Возможно, результат у вас будет лучшим.

 Скорее всего, я ещё
вернусь к этой спиральной  антенне, ведь
не заснула же она, кода антенна «волновой канал» перестала принимать эфир.

Фото 14. Все испытания антенн проводились под этой прозрачной для радиоволн крышей.

Источник: /dedclub.blogspot.com/2014/07/blog-post.html

Изготовление спиральной антенны для беспроводных сетей диапазона 2.4 ГГц

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.

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)

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 :)).

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.

Рисунок 3. Почти законченная спиральная антенна.

Готово! (Рис. 4)

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: /wifiantenna.org.ua/antennas/helix/

Антенны для маломощных беспроводных систем

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2011

Telecontrolli, Италия

Небольшой обзор основных типов антенн, используемых в радиосистемах диапазона 433-866 МГц малого радиуса действия подготовили инженеры фирмы Telecontrolli. Поэтому в тексте и в иллюстрациях вы встретите ссылки на изделия, производимые этой фирмой.

Введение

Антенна – важнейший элемент маломощных беспроводных систем, в первую очередь определяющий их радиус действия. Передать информацию на значительное расстояние без антенны невозможно. В то же время, из всех элементов беспроводных систем, антенна труднее всего поддается расчету и оптимизации.

Кроме того, характеристики антенн сильно зависят от множества факторов, таких как диэлектрическая проницаемость материалов, близость и характер расположения других элементов. Наконец, измерение характеристик антенн требует наличия сложного и дорогостоящего оборудования, доступного далеко не всем.

Штыревая антенна

Простейший тип антенны – штыревая антенна. Эти антенны применяют, как правило, там, где радиус действия радиосистемы имеет первостепенное значение.

Штыревая антенна представляет собой четвертьволновый отрезок прямого провода или стержня (Рис. 1), подключаемого непосредственно к выводу RX/TX. Резонансная длина четвертьволновой штыревой антенны может быть вычислена по формуле:

L (см) = 7500 / частота (МГц)

Длина четвертьволнового отрезка для частоты 433.92 МГц равна 17 см.

Рисунок 1.

Эта формула может служить лишь отправной точкой расчетов, так как антенна может быть короче, если стержень слишком толст или имеет какое-либо покрытие. Если же область «земли» на печатной плате слишком мала, антенну, возможно, придется делать длиннее.

Такие антенны очень просты в настройке – достаточно лишь слегка изменить длину провода.

Если антенна устанавливается на удалении от приемного/передающего модуля, для подключения можно использовать кабель с волновым сопротивлением 50 Ом (Рис. 2).

Рисунок 2.

Экранирующая оплетка кабеля должна быть припаяна к «земле» возле антенного вывода модуля.

Штыревую антенну можно, также, изготовить в виде дорожки печатной платы (Рис. 3).

Рисунок 3.

Длина дорожки должна быть на 10-20% меньше, чем дают расчеты. Насколько меньше – зависит от типа диэлектрика и толщины печатной платы. Если устройство портативное, антенну надо делать чуть короче, чтобы компенсировать влияние рук.

Дорожку антенны проводите на плате на расстоянии не менее 5 мм от остальных цепей.

Спиральная антенна

Спиральная антенна изготавливается, как правило, намоткой отрезка стального, медного или латунного провода (Рис. 4).

Рисунок 4.

Из-за высокой добротности спиральных антенн их полоса пропускания очень мала, и межвитковое расстояние оказывает на характеристики антенн значительное влияние.

Число витков зависит от диаметра провода, диаметра намотки и межвиткового расстояния. Проще всего необходимое количество витков определять экспериментально, первоначально сделав антенну заведомо большей длины и укорачивая ее до обнаружения резонанса на требуемой частоте. Точная настройка антенны выполняется сжатием или растягиванием спирали.

Для изготовления антенны на частоту 433.92 МГц необходимо намотать 17 витков эмаль-провода диаметром 1 мм на оправке диаметром 5 мм и растянуть катушку так, чтобы ее длина равнялась 30 мм.

Рамочная антенна

Рамочные антенны находят применение, в основном, в передатчиках, в особенности, когда критичны размеры и вес конструкции. Рамочные антенны изготавливаются как часть печатной платы. Один конец антенны заземляется, а другой подключается к выводу TX/RX через конденсатор (Рис. 5). Конденсатор используется для согласования и настройки антенны.

Рисунок 5.

Существенным преимуществом рамочных антенн является их слабая чувствительность к влиянию рук и независимость от топологии «земли». По этой причине рамочные антенны широко используются в передатчиках дистанционного открывания ворот, автосигнализациях и т.п.

Конструируя рамочную антенну, старайтесь сделать ее как можно больше, так как маленькая антенна имеет плохое усиление и очень узкую полосу пропускания. Крайне важна правильная настройка антенны. Для настройки часто используются подстроечные или постоянные конденсаторы.

Сравнение антенн различных типов

Подводя итог, можно сказать, что штыревая антенна имеет наибольшие физические размеры и должна использоваться там, где радиус действия имеет первостепенное значение.

Рамочные антенны из всех рассмотренных имеют самый маленький радиус действия.

Источник: /rlocman.ru/review/article.html?di=111359

Спиральная WiFi антенна Helix

Спиральная антенна (Helix antenna) была изобретена еще в 1947 году основателем теории спиральных антенн Джоном Краусом. Конструкция такой wifi антенны имеет ряд преимуществ перед панельными антеннами, такие как маленькая парусность, легкость изготовления в сочетании с доступностью материалов и широкополосность.

WiFi антенна Helix имеет круговую поляризацию и в зависимости от направления намотки может быть право и левосторонней, поэтому важно помнить, что если мы делаем две wifi антенны для линка точка-точка, то намотку необходимо делать у обоих антенн в одинаковом направлении.

Такую антенну не рекомендуется ставить совместно с панельными, которые имеют горизонтальную и вертикальную поляризацию, что приведет к потере сигнала в 3db.

В сети попадались несколько озадаченных людей, которые применяли helix в качестве облучателя тарелок и не учли тот факт, что при отражении поляризация меняет направление, поэтому будьте внимательны.

Очень хочется собрать такую wifi антенну, тем более, что информации в сети достаточно, и в этой статье я постараюсь собрать из множества источников разные методы изготовления такой антенны своими руками. Самая распространенная конструкция хеликса на 2,4Ггц собирается на обычной ПВХ трубе диаметром 40мм, которую можно приобрести в любом магазине сантехники. Вот список необходимых деталей:

  — односторонний текстолит или любая металлическая пластина 13х13см
  — пластиковая труба диаметром 40мм
  — медный провод сечением 2мм в диаметре
  — клей, изолента
Для начала давайте определимся с исходными данными нашей будущей wifi антенны. Делать мы будем 24-х витковый хеликс, а центральную частоту для расчета возьмем равной 2437Мгц (шестой канал wifi диапазона).

Исходя из этого с помощью калькулятора (в разделе скачать) рассчитаем необходимые параметры и получаем, что длина конструкции составит 74см, расстояние между витками 3,2см, усиление 19,9db.
Отпиливаем трубу нужной длины и проставляем на ней отметки через каждые 32мм. Можно поступить другим способом, распечатать заранее нарисованный шаблон, обклеить им трубу и использовать как разметку.

Берем провод, желательно без изоляции и мотаем на трубу по разметке, причем последний виток должен заканчиваться точно, как бы являясь продолжением первого. Хотя эта wifi антенна и прощает “кривые руки”, я настоятельно рекомендую делать все аккуратно и по возможности точно. После того как намотали провод, фиксируем концы изолентой и приклеиваем каждый виток к трубе. Теперь нужно вырезать рефлектор, который может быть как квадратной, так и круглой формы размером 13х13см (диаметр 13см). Рассчитываем место установки разъема, просверливаем, прикручиваем. Можно обойтись и без разъема, просто высверлив дырку под кабель. Как прикрепить рефлектор к трубе каждый решает сам, я дам лишь общее направление, фото ниже.

Входное сопротивление антенны Helix составляет 120-170 Ом и чтобы согласовать с нашим 50Ом кабелем нам необходимо добавить линию согласования, которая представляет собой прямоугольный треугольник со сторонами 17 и 71мм. Вырезаем треугольник, укладываем на трубу так, что гипотенуза это продолжение витка и припаиваем зауженной стороной к спирали а широкой к разъему.

Все, антенна готова, теперь можно заняться эстетикой, обмотав изолентой или обтянуть термоусадкой. Такая антенна без труда покроет видимое расстояние в 2-5 километров.

Напоследок хочется обратить внимание на то, как все же правильно делать такую антенну.
Я советую отказаться от пластиковой трубы, которая вносит свой коэффициент укорочения и потери на ВЧ, но антенна в силу своей широкополосности прощает нам и это. Для примера на фото более “правильные” антенны.

Обращаю ваше внимание, что антенна получилась не короткозамкнутая, поэтому стоит уделить внимание защите от статики.
Как говорилось ранее, антенна обладает высоким входным сопротивлением, почему мы и применяли линию согласования на последнем витке. Существует несколько способов согласования, некоторые из них, я думаю будут интересны моим читателям. Все подробности на фото ниже.

Источник: /WiFicenter.ru/spiralnaya-wifi-antenna-helix/

Изготовление спиральной антенны для Wi-Fi из подручных средств — asp24.ru

Так сложилось, что на работе мы остались без Интернета, это и послужило стимулом для изготовления антенны. Основным критерием было достигнуть результата при минимальных затратах. Таким образом, в ход пошло всё то, что было под рукой.

А под рукой было: два Wi-Fi модема TP-Link, не кривые руки, желание и цель. Расстояние между потенциальными точками доступа составило около 700 метров в пределах прямой видимости. Стандартный Wi-Fi модем способен преодолеть только до ста метров.

Для увеличения коэффициента усиления, необходимо сфокусировать узконаправленный сигнал. Для этих целей идеально подходит спиральная антенна Джона Крауса (John Kraus) для частот в диапазоне от 2 до 5 ГГц. В беспроводных сетях, с использованием стандарта IEEE 802.

11b, также известного как Wi-Fi, используется частота 2.43 ГГц.

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 антенны должны иметь одинаковую направленность поляризации, то есть намотаны в одну сторону.

Реализация для частоты 2.43 ГГц

 Для этих целей идеально подходит обычная сантехническая пластиковая труба с внешним диаметром 40 мм с учетом намотанного медного провода с изоляцией в 1 мм – это 42 мм (диаметр витка). Но мы собирали антенну из того, что под рукой, а под рукой имелись винипластовые стержни с наружным диаметром 35 мм. При этом диаметр витка выходит 37 мм, что так же не плохо.

Расчеты

Для пластиковой трубы с диаметром 40 мм

Окружность витка: 

• Для 2.5 км 12 витков достаточно (N=12).
• Длина трубы будет около 40 см (3.24 l).
• Размер отражателя (R) 42 не менее C или l – 14 см.

Для винипластового круглого стержня с диаметром 35 мм

Окружность витка:

• Длина трубы будет около 40 см (3.24 l).
• Размер отражателя (R) не менее C или l – 14 см.

Необходимые материалы:

• для отражателя использовался фольгированный гетинакс, но так же можно использовать любую медную или алюминиевую пластину любой толщины. Но не очень тонкую, т.к. отражатель является основной несущей базой антенны;
• медный одножильный провод не тоньше 1 мм в диаметре (нами использовался провод сечением в 1.5 квадрата) в ПХВ изоляции длинной около 1.5 м;
• круглый сердечник из винипласта диаметром 35 мм и длиной 40 см;
• полоска медной фольги для изготовления волнового генератора в виде треугольника. Размер малого катета 17 мм, длина гипотенузы 71 мм. Толщина не фиксированная, главное условие, что бы ее можно было обогнуть вокруг сердечника;
• для подключения коаксиального кабеля я использовал коннектор от старой сетевой 10 Мбит/с карты;
• крепления произвольные.

Процесс сборки

Для начала возьмем винипластовый сердечник. Нанесем на него разметку. Расстояние между метками, согласно нашим расчетам, должно быть 29 мм. Это расстояние между витками. Для выравнивания провода, я обычно использую один не хитрый способ. Зажав один конец провода в тиски, с силой натягиваем в струну за другой конец. Для того чтобы ровно уложить провод, я просверлил отверстие на крайней метке.

Диаметр отверстия равен диаметру провода с изоляцией, что позволит зафиксировать конец провода, вставив его в отверстие. После чего плотно наматываем провод на сердечник. Плавно растягиваем спираль и фиксируем с помощью клея витки на метках. В итоге должно получиться 12 витков с расстоянием в 29 мм. При использовании трубы в качестве сердечника, появляется проблема с креплением отражателя.

Возникает необходимость использовать дополнительные детали. В нашем случае сердечник из винипласта. Он легко крепится к отражателю с помощью обычного шурупа — самореза, длина которого около 50 мм. Я использовал шуруп со шляпкой под ключ, чтобы облегчить закручивание.

Для крепления отражателя делаем разметку под отверстие по центру пластины. Центр находим за счет пересечения диагоналей. Диаметр отверстия зависит от диаметра крепежного шурупа. Также отмеряем от центра расстояние равное радиусу сердечника. Здесь сверлим отверстие под коннектор.

При отсутствии коннектора, коаксиальный кабель можно припаять напрямую. Экранирующий контакт припаиваем к пластине отражателя, а центральную жилу к волновому генератору. Роль волнового генератора будет у нас выполнять треугольная пластинка из медной фольги.

К тонкому углу генератора припаиваем кончик нашей спирали. Гипотенуза треугольника из медной фольги должна быть продолжением спирали.

Так как антенна будет установлена на открытом воздухе, рекомендуется залить места паек силиконом, а на сердечник надеть термоусадку с диаметром 50 мм.

Монтаж и настройка

В качестве точек доступа использовались Wi-Fi модемы TP-LINK. На обоих ТД установлен MOD Point to Point с указанием MAC-адреса другого модема.

Эта настройка установлена из соображений безопасности, дабы отсечь не санкционированные подключения к нашей сети (халявщиков с ноутбуками и смартфонами).

Если не боитесь мародеров, то рекомендую ставить Wi-Fi модем возле антенны. Можно закрепить его на тыльной стороне отражателя. Естественно, поместив его в герметичную упаковку. Связь модема с компьютером осуществить по кабелю витой пары (Ethernet). Максимально укоротив коаксиальный кабель, Вы уменьшите затухание сигнала. 

© x-drivers

Источник: /asp24.ru/sdelay-sam/izgotovlenie-spiralnoy-antenny-dlya-wi-fi-iz-podruchnyh-sredstv/

любительские антенны ew8au конструкции и описание радиолюбительских коротковолновых и ультрокоротковолновых антенн

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.

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.

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).

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.

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

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.

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.

            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.

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.

                                   Рис. 5а                                                                
Рис.5б

Рис.6

            На рис. 6  показан вариант выполнения широкополосного
трансформатора в полосковом исполнении для спиральной антенны. Трансформатор
представляет собой полосковую линию, переменной ширины, расположенную над
экраном (рефлектором) антенны.

Полосок вырезается из тонкой листовой меди или
латуни толщиной 0,3-0,6 мм. Чтобы выдержать точное расстояние над экраном и
хорошо закрепить полосок, на экран приклеить кольцо из пенопласта и на это
кольцо приклеить полосок.

При расчете волнового сопротивления учитывается диэлектрическая
проницаемость пенопласта  1,1.

Рис. 7

Рис. 7а

Толщина пенопласта 7 мм. В нашем примере
трансформатор трансформирует     120 Ом в
75 Ом. Согласно графику можно изготовить трансформатор с другим коэффициентом
трансформации. Рис.8.

            На рис.9
антенна дециметрового диапазона, несущая траверса склеена из двух частей,
прямоугольная стеклопластиковая труба от хоккейной клюшки, вторая часть круглая
стеклопластиковая труба от лыжной палки. Каждый виток спирали опирается на
четыре стеклотекстолитовые распорки.

В качестве распорок использовалась крайняя
секция от пластиковой телескопической удочки (хлыстик), который всегда можно
приобрести в продаже отдельно (без удочки). По длине траверсы с постоянным
шагом сверлятся отверстия, в которые вклеиваются на эпоксидный клей распорки.

Спираль выполнена из медной шинки прямоугольного сечения. Несмотря на большую
длину антенны, имеет хорошую жесткость. Антенна расчалена тонким капроновым
шнуром, это придает антенне дополнительную жесткость, а так же защищает от
птиц.

Для уравновешивания конструкции с задней стороны экрана  крепится металлическая труба с грузом на
конце.

Рис.8

Рис. 9

Согласование в узкой полосе
частот можно осуществить с помощью четвертьволнового трансформатора,
сопротивление которого рассчитывается по известной формуле

            При
приеме слабого сигнала, желательно применить согласование в узкой полосе
частот. Автором была изготовлена и испытана антенна в диапазоне 70 см которая
позволяла принимать станции не только в любительском диапазоне, и в телевизионном
ДМВ диапазоне.

O спирали 167 мм, расстояние между витками спирали 154 мм.

В точке
подключения широкополосного трансформатора к разъему СР-75, дополнительно
подключался короткозамкнутый четвертьволновой шлейф, который позволял заузить
полосу пропускания антенны в нужном участке диапазона, при этом наблюдалось
улучшение качества изображения на принимаемом канале.

EW8AU

Владимир Приходько

НА ГЛАВНУЮ

Сайт создан при поддержке дизайн студии Ok Soft, г.Гомель, 8-375-296-430412

Источник: /ew8au.narod.ru/a10.html

Спиральные антенны (стр. 1 из 11)

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.)

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.

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.

· 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.

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.

Источник: /MirZnanii.com/a/121466/spiralnye-antenny