Текст книги "Спирально-вибраторные антенны. Сборник статей"

Спирально-вибраторные антенны
Сборник статей
Владимир Кучин

© Владимир Кучин, 2017

ISBN 978-5-4483-9041-8

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Что такое спирально-вибраторная антенна

Статья в журнале «Радиохобби», №1, 2014 г., г. Киев, Украина. Авторский вариант.

Передача информации для многих технических и прикладных задач в настоящее время стала абсолютно необходима. Средства передачи могут включать модемные устройства, радиостанции, системы сотовой связи, разнообразные коммуникаторы и т. д. В любом случае элементом системы связи будет и антенна. Прогресс в области непосредственно технических систем связи и программного обеспечения огромен, чего не скажешь про антенные устройства. Создание нового класса спирально-вибраторных антенн это переход антенн в новое качество, т.к. они обеспечивают не экстенсивные подходы к обеспечению качества связи в жестких промышленных условиях, а интенсивные и комбинированные решения.

Основной тип спирально-вибраторной антенны описан в патенте «Спирально-вибраторная симметричная антенна «РАВЭЛ-С» патент РФ№2325018, публ. 20.05.08.

Целью данного сообщения (сообщений) автор поставил дать некоторые теоретические предпосылки к созданию нового класса надежных и стабильных, но весьма простых в изготовлении спирально-вибраторных антенн, а также научить радиолюбителя самостоятельно изготовить нужную ему антенну, в частности для сотовой сигнализации, сотового телефона или радиостанции буквально в условиях домашней мастерской.

Начнем с простой теории, для этого нарисуем модель электро-магнитного поля. В общем случае его можно представить как некую «пружину» с эллипсоидальным срезом, с диаметрами (Н), (μН) и шагом по времени (Т₀) (для магнитной составляющей). Изобразим там же антенну. Представим, что поле нашей частоты в пространстве уже есть и мы хотим только поддерживать его с помощью антенны! Антенна должна как бы «крутить» этот вихрь по его эллипсоидальной «пластинке», соблюдая при этом период вращения поля. Нарисуем антенну в виде рамки с током, и будем следить за точкой нулевой фазы тока I в этой рамке. Такой рисунок перед нами. Рисунок поля для электрической составляющей Е аналогичен.

Сформулируем условия, необходимые для поддержания поля рамкой антенны:

время обегания током I рамки должно быть равно периоду Т₀, поддерживаемого поля;

проекция тока в рамке должна быть максимальна по отношению к орту Н;

проекция напряжения в рамке должна быть максимально по отношению к орту Е;

создаваемые рамкой «пластинки» поля по (μН) и (εЕ) должны быть равны эллипсоидальным «пластинкам» поддерживаемого поля.

Первое условие обеспечивает частоту излучения (передаваемую и принимаемую).

Второе и третье условия обеспечивают наибольшую мощность излучения и поляризацию.

Четвертое условие – ничто иное, как равенство сопротивления антенны и волнового сопротивления среды, в которой расположено (распространяется) поле.

Всем четырем условиям поддержания поля частоты f₀ почти удовлетворяет сложенная по диаметру коротко замкнутая петля общей длиной L₀=λ₀ c током возбуждения I, который неким способом подается на петлю снаружи.

«Препятствием» в использования такого петлевого вибратора являются базовые формулы радиотехники – телеграфные уравнения с погонными индуктивностью Lп и емкостью Cп длинной линии и формула Томсона для расчета частоты контура. Необходимо «бороться» с этими уравнениями и формулой и максимально уменьшить влияние параметров Lп, Cп, на частотные параметры вибратора. Способ борьбы, предложенный при создании спирально-вибраторной антенны автором, – спиральное свивание провода вибратора на нечетном числе участков (т.е. четном числе узлов) на нечетное число полуоборотов (т.е. 3 или 5), что дает поворот фазы протекающего в петле тока в каждом узле на 180⁰. Понять сказанное легко с помощью рис.

Это своего рода «бифилярная» намотка, но устраняющая не емкость, а индуктивность провода антенного вибратора. Тем самым погонная индуктивность Lп становиться близка к нулю, что дает:

– отсутствие сдвига фаз между током и напряжением в проволоке вибратора;

– «не работу» формулы Томсона по собственному резонансу вибратора антенны.

Такая, казалось бы, простая идея создания проволочного спирального вибратора послужила основой для нового класса спирально-вибраторных антенн.

В случае, если поле поддерживает (излучает – принимает) один вибратор, то необходимо подводить – отводить от него энергию. Это делается с помощью кабеля, такая конструкция называется «спирально-вибраторная антенна РАВЭЛ-С», номер патента на которую я указал в начале сообщения. Для усиления поля можно применить два и более вибратора, антенна с двумя вибраторами называется «Фазовая антенная решетка «РАВЭЛ-СВР» (Патент на полезную модель №68189, публ. 10.11.2007). Устройство антенной решетки «РАВЭЛ-СВР» понятно из рис.. Интересным фактом является то, что пассивный вибратор располагается «сзади» активного.

Параметры указанных типов антенн несколько зависят от рабочей частоты, для диапазона 160 МГц, средние параметры такие:

Антенна РАВЭЛ-С

Тип антенны спирально – вибраторная

Диапазон частот от 144 до 900 МГц

Коэффициент перекрытия по частоте 0,06

Волновое сопротивление 45…55 Ом

Поляризация излучения вертикальная

Направление излучения круговое

Поворот плоскости поляризации 360 град

Антенна РАВЭЛ-С предназначена для размещения вне либо внутри помещения, ее особенность – работа в резонансе точно на частоте антенны. При излучении антенна формирует преимущественно электрический вектор поля излучения и за счет этого преодолевает существенные металлические сплошные препятствия, в частности может работать из гаражей, металлических боксов и т. д. Диапазон возможного изготовления антенны очень широк.

Антенна РАВЭЛ – СВР

Тип антенны спирально-вибраторная решетка

Диапазон частот от144 до 900 МГц

Коэффициент перекрытия по частоте 0,06

Волновое сопротивление 45…55 Ом

Поляризация излучения вертикальная

Коэффициент усиления 11…13 дБ

Поворот плоскости поляризации 360 град.

Антенна РАВЭЛ – СВР предназначена для размещения вне либо внутри помещения. Данная конструкция уникальна – на двух элементах обеспечивается очень высокое усиление в сочетании с надежной стабильностью частотных свойств. При излучении СВР формирует преимущественно электрический вектор поля направленного излучения и за счет этого преодолевает существенные и габаритные сплошные препятствия, в частности может работать из гаражей, металлических боксов в районе плотной железобетонной застройки. В условиях сельской местности обеспечивает большие приросты дальности – в 2—3 раза по сравнению с антеннами других типов.

Спирально-вибраторные антенны

Статья в журнале «Радиолюбитель», №1, 2014 г., г. Минск, Беларусь. Авторский вариант.

Спирально-вибраторная антенна (далее СВ антенны) – это новый класс антенн, который был создан для эксплуатации в жестких условиях, но при этом эти антенны недороги, могут быть изготовлены радиолюбителем, и обладают рядом интересных свойств. Основной тип спирально-вибраторной антенны описан в патенте «Спирально-вибраторная симметричная антенна «РАВЭЛ-С» патент РФ№2325018, публ. 20.05.08.

СВ антенна для сотовой связи.

Данная публикация посвящена трем типам антенн:

СВ антенне для радиосвязи РАВЭЛ-С

Направленной СВ антенне для радиосвязи РАВЭЛ-СВР

СВ антенне для сотовой связи РАВЭЛ-С-900 (1800).

Перечислим основные свойства спирально-вибраторных антенн.

Усиление

СВ антенны обеспечивают большие коэффициенты усиления при относительно малых габаритах – секрет в конструкции и внутренней структуре

Стабильность

СВ антенны не имеют настраиваемых элементов, что дает стабильность параметров и по

Помехоустойчивость

СВ антенны имеют узкую полосу приема и передачи – они фактически не работают вне полосы – при приеме идет конструктивное подавление зеркальных каналов, а при передаче – подавление гармоник и субгармоник. Антенны обеспечивают минимальные помехи для других радиосредств и максимальную скрытность приемо-передачи

Диаграмма направленности

СВ антенны обладают уникальной диаграммой – она одновременно с большим усилением и широкая в горизонтальной плоскости. Диаграмма на СВ антенне типа РАВЭЛ-СВР на рис.

Рис. 2.

Поляризация

СВ антенны могут работать в любой поляризации – не только в вертикальной, но и в горизонтальной и в наклонной – это зависит только от разворота оси антенны – и ни в коем случае не от окружающих предметов. Это дает возможность настроить плоскость поляризации под данную трассу связи и получить существенное увеличение дальности.

Коррозионная стойкость

СВ антенны не имеют открытых металлических частей – они могут работать в условиях дождя, пара, брызг, полуагрессивных сред – и не будут коррозировать – нечему.

При необходимости можно легко изготовить полностью герметичные антенны.

Температурный диапазон

Не хуже чем +55ºС ….-45ºС, т. е. Δ=100ºС

Работа внутри помещений

СВ антенны уверенно работают из помещения, в помещении, с приемом в помещении

Парусность

Для работы на улице это немаловажный фактор – мы видим, что СВ антенны имеют минимальную парусность – они очень тонкие.

Вес, нагрузка на мачту

СВ антенны легче воды – они имеют положительную плавучесть – и этим все сказано.

Прочность первичная и эксплуатационная

СВ антенны обладает прочной конструкцией – ее футляр из прочной и упругой пластмассы. Применяемая пластмасса не боится солнца, не выгорает, не крошиться, Поставщик дает на нее гарантию 60 лет. Т.к. нагрузка самой внутренней части антенны на корпус минимальна – то, сколько прослужит корпус, столько фактически и будет сохранять прочность антенна.

Формирование сигнала

Особенность СВ антенны – формирование в сверхмалой ближней зоне (1—2λ) полноценного электромагнитного поля, это обеспечивает преодоление радиосигналом сплошных препятствий, стен, решеток, железобетонных плит уже в ближней зоне. Например, СВ антенна для сотовой связи может работать из сплошного металлического шкафа.

Области применения СВ антенн

Системы передачи данных в городских условиях.

Передача сигналов и данных вдоль различных магистралей.

Передача данных с преодолением естественных и промышленных препятствий.

Системы сигнализации.

Изготовление спирально-вибраторной антенны для радиосвязи

Статья в журнале «Радиолюбитель», №2, 2014 г., г. Минск, Беларусь. Авторский вариант.

Данная публикация посвящена технологии изготовления спирально-вибраторной антенны (далее СВ антенны) в радиолюбительских условиях. Мы обсудим методы изготовления ненаправленной антенны для радиосвязи (радиосигнализации) в диапазоне 168 МГц и 433 МГц. Эти две СВ антенны по конструкции идентичны, и отличаются только размерами. Внешний вид СВ антенны на 168 МГц в реальных условиях эксплуатации приведен на рис.

СВ антенна представляет собой пластиковый корпус с установленной внутри приемно-излучающей системы из кабеля и толстого медного провода с прочной лаковой изоляцией. Основная идея конструкции состоит в разделении конструкторских функций – все функции прочности и эксплуатационной устойчивости возложены на корпус, все функции радиотехнические – согласования, приемо-передачи, формирования диаграммы возложены собственно на СВ приемно-излучающую систему. Для понимания того, что мы должны сделать, хорошо поможет рисунок СВ антенны в разрезе (см. ниже)

СВ антенна представляет собой корпус, сваренный из пластиковой трубы и фурнитуры, которая широко применяется в настоящее время в системах холодного водоснабжения. Внутри корпуса помещена приемо-излучающая система из кабеля ВЧ и медного провода в лаковой изоляции. Нижний спиральный вибратор выполнен из кабеля и провода, свитых в две спирали особым образом – это обеспечивает согласование и излучение. Верхний спиральный вибратор выполнен из медного провода в лаковой изоляции, свитый особым образом – это обеспечивает излучение. Приемно-излучающая система вставлена в корпус, в котором оставлены отверстия в нижней и верхней трубах и центральной крестовине, в заднем тройнике для кабеля просверлено отверстие. После установки системы на кабель ВЧ запаивается разъем ВЧ, необходимого типа, и, после проверки, корпус заваривается заглушками.

На стену (мачту) СВ антенна крепиться с помощью стандартной опоры, либо с помощью хомутов автомобильного типа (с винтом).

Технология изготовления СВ антенны может быть разделена на 6 этапов:

Изготовление корпуса методом сварки пластиковых конструкций;

Изготовление кабельно-проволочной заготовки антенны;

Изготовление из заготовки спирально-вибраторной конструкции;

Установка спирально-вибраторной конструкции в корпус;

Запайка ВЧ разъема и проверка («прозвонка») СВ антенны;

Заварка в корпусе технологических отверстий заглушками.

1-й этап. Изготовление корпуса методом сварки пластиковых конструкций

2-й этап. Изготовление кабельно-проволочной заготовки антенны

Для изготовления корпуса из полипропилена нам потребуется инструмент:

Сварочный аппарат для пластиковых труб;

Ножницы для нарезки пластиковых труб.

Необходимые детали (Поз по чертежу):

Поз 1. заглушка D20 – 2 шт;

Поз 2. труба PN20 D20 – 2 шт. (длина 100/50 мм, для 168 и 433 МГц, соответственно;

Поз 3. труба PN20 D20 – 1 шт. (110/60 мм);

Поз 4. крестовина D20 – 1 шт.;

Поз 4а. – отверстие D8,5 – сверлить;

Поз 5. труба PN20 D20 – 1 шт. (400/130 мм);

Поз 6. труба PN20 D10 – 1 шт. (400/130 мм);

Поз 7. крестовина D20 – 1 шт.

Указанные выше детали свариваются, плоскостность конструкции обеспечивается быстрым формованием на рабочем столе, перпендикулярность деталей 2—3, 3—5,6 хорошо проверяется для труб «на просвет».

После установки кабельно-проволочной конструкции производится заварка:

Поз 8. заглушка D20 – 2 шт;

Поз 9. труба PN20 D20 – 1 шт. (25/25 мм)

Поз. 10 заглушка D20 – 1 шт;

Крепление СВ антенны на стене или опоре выполняется с помощью «опоры D20» – 2 шт.

Кабель ВЧ, нам нужен 50-омный кабель с центральной жилой и экраном под пайку, например, типа RG-58;

Провод – лучше всего медный провод ПЭВ-2—0,86. Лаковая изоляция должна быть двухслойной, теплостойкой, медь без примесей, не нагортованная.

Инструмент – обычный паяльник.

Припой – ПОС-61 с канифолью, кислоты категорически запрещаются, т.к. пайка при эксплуатации может «зацвести».

Места пайки защищаем ПХВ трубкой, витки провода крепим к кабелю изолентой и силиконом с помощью термопистолета.

Размеры:

Кабель (5,0 м/1,5 м) для (168/433 МГц);

Провод – 1700/660 мм.

Технология (позиции по рисунку):

зачищаем кабель 1 «вилочкой»;

паяем провод 5 в точке 4 к оплетке кабеля, крепим 2.

навиваем половину (850/330) провода плотно на кабель по часовой стрелке, количество витков должно быть около (19/9) на длине кабеля (770/390), крепим витки 2.

запаиваем провод к жиле кабеля 3.

3-й этап. Изготовление из заготовки спирально-вибраторной конструкции

Порядок работ на этом этапе следующий

Складываем кабельно-проволочную конструкцию по диаметру и скрепляем 9 два кабеля изолентой и силиконом с помощью термопистолета. Важно обеспечить плоскостность и не делать толстым крепление, т.к. оно будет мешать установке антенны в корпус.

Складываем кабельно-проволочную конструкцию по диаметру и скрепляем 9 два кабеля изолентой и силиконом с помощью термопистолета. Важно обеспечить плоскостность и не делать толстым крепление, т.к. оно будет мешать установке антенны в корпус. Затем производим изготовление спиралей:

На кабеле 1 делаем полуобороты (!) по часовой стрелке, разделяя вибратор на 5 частей для 168 МГц и 3 части для 433 МГц, места полуоборотов закрепляем 6,7;

На проводе 2 через 45 мм для 168 МГц и 25 мм для 433 МГц делаем 3—5 полуоборота 3 (!), по часовой стрелке, создавая участки параллельных малых вибраторов, в которых токи потекут встречно. Важно сделать свивание провода так, чтобы он не распускался, и изоляция не пострадала, можно для этого изготовить два шаблона из текстолита.

Проверяем места пайки провода к кабелю – 4,5, после чего измеряем омметром с конца кабеля 1а величину сопротивления кабельно-проволочной вибраторной конструкции, эта величина нам понадобиться после установки кабеля и запайки разъема ВЧ.

4-й этап. Установка спирально-вибраторной конструкции в корпус

На рабочем столе помещаем корпус и антенную конструкцию, в открытую трубу 6 нижнего вибратора направляем свободный конец кабеля 1а, следим за тем, когда он появится в окне крестовины 7, выдергиваем кабель на себя и направляем его в сторону тройника 4, добиваясь его прохождения в отверстии 4а. Затем плавно устанавливаем конструкцию так, как она нарисована на рис 1. место пайки должно быть видно в отверстии крестовины, верхний вибратор должен быть максимально расправлен вверх.

5-й этап. Запайка ВЧ разъема и проверка («прозвонка») СВ антенны

После установки антенны повторно проверяем сопротивление конструкции, запаиваем разъем и проверяем его еще раз – данные – около 1—3 Ом должны быть одинаковы.

6 этап. Заварка антенны

Завариваем технологические отверстия в корпусе деталями 8, 9, 10. При этой операции важно не повредить (случайно проплавить) изоляцию кабеля.

Надежность антенны напрямую будет зависеть именно от технологии, которая столь подробно мной здесь изложена. Работу нужно выполнить аккуратно, а все остальное будет обеспечено именно конструкцией СВ антенны, в том числе уникальные температурно-климатические параметры.

Изготовление спирально-вибраторной антенны для сотовой связи

Статья в журнале «Радиолюбитель», №3, 2014 г., г. Минск, Беларусь. Авторский вариант.

Данная публикация посвящена технологии изготовления спирально-вибраторной антенны (далее СВ антенны) в радиолюбительских условиях. Мы обсудим методы изготовления ненаправленной антенны для сотовой связи (сотовой сигнализации) в диапазоне 900/1800 МГц. Внешний вид СВ антенны для сотовой связи в реальных условиях эксплуатации приведен на рис.

СВ антенна для сотовой связи представляет собой пластиковый корпус с установленной внутри приемно-излучающей системой из кабеля и толстого медного провода с прочной лаковой изоляцией. Основная идея конструкции состоит в разделении конструкторских функций – все функции прочности и эксплуатационной устойчивости возложены на корпус, все функции радиотехнические – согласования, приемо-передачи, формирования диаграммы возложены собственно на СВ приемно-излучающую систему. Конструкция СВ антенны для сотовой связи – аналогична конструкции СВ антенны для диапазона 433 МГц, которая подробно изложена в статье журнала «Радиолюбитель» №2, 2014 г., с некоторыми небольшими отличиями

Технология изготовления СВ антенны для сотовой связи разделяется на 6 этапов:

Изготовление корпуса методом сварки пластиковых конструкций;

Изготовление кабельно-проволочной заготовки антенны;

Изготовление из заготовки спирально-вибраторной конструкции;

Установка спирально-вибраторной конструкции в корпус;

Запайка ВЧ разъема и проверка («прозвонка») СВ антенны;

Заварка в корпусе технологических отверстий заглушками.

1-й этап. Изготовление корпуса методом сварки пластиковых конструкций

Для изготовления корпуса из полипропилена нам потребуется инструмент:

Сварочный аппарат для пластиковых труб;

Ножницы для нарезки пластиковых труб.

Необходимые детали (Поз по чертежу):

Поз 1. заглушка D20 – 1 шт;

Поз 2. труба PN20 D20 – 1 шт. (длина 55 мм);

Поз 3. труба PN20 D20 – 1 шт. (55 мм);

Поз 4. угольник 90 D20 – 1 шт.;

Поз 4а. – отверстие D10 – сверлить;

Поз 5. труба PN20 D20 – 1 шт. (55 мм);

Поз 6. труба PN20 D10 – 1 шт. (55 мм);

Поз 7. тройник D20 – 1 шт.

Указанные выше детали свариваются, плоскостность конструкции обеспечивается быстрым формованием на рабочем столе, перпендикулярность деталей 2—3, 3—5,6 хорошо проверяется для труб «на просвет».

После установки кабельно-проволочной конструкции производится заварка:

Поз 8. заглушка D20 – 2 шт;

Крепление СВ антенны на стене или мачте выполняется с помощью «опоры D20» – 1 шт.

2-й этап. Изготовление кабельно-проволочной заготовки антенны

Инструмент – обычный паяльник.

Припой – ПОС-61 с канифолью, кислоты категорически запрещаются, т.к. пайка при эксплуатации может «зацвести».

Места пайки защищаем ПХВ трубкой, витки провода крепим к кабелю изолентой и силиконом с помощью термопистолета.

Размеры:

Кабель – длина 0,9 м;

Провод – длина 290 мм.

Технология (позиции по рисунку):

зачищаем кабель 1 «вилочкой»;

паяем провод 5 в точке 4 к оплетке кабеля, крепим 2.

навиваем половину провода плотно на кабель по часовой стрелке, количество витков должно быть около (7/8) на длине кабеля (145), крепим витки 2.

запаиваем провод к жиле кабеля 3.