Владимир Кучин - Спирально-вибраторные антенны. Сборник статей

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 (Т_>0) (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 Т_>0, 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 f_>0 почти удовлетворяет сложенная по диаметру коротко замкнутая петля общей длиной L_>0=λ_>0 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 180^>0. 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:

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.

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.

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