В окружающем нас мире часто очень важным оказывается тот факт, что человек не может обойтись без большого количества необходимой и своевременной информации. Эта информация может носить как мирный так и военный характер, но она предназначена прежде всего для облегчения деятельности человека.

Одной из разновидностью устройств служащих для приема и передачи информации являются антенны.

В данной курсовой работе будут рассмотрены вопросы расчета антенны, удовлетворяющей поставленным техническим требованиям.

2. Цель работы

Целью работы является изучение спиральной антенны ДЦМВ диапазона, что подразумевает собой расчет геометрических размеров антенны, ее характеристик излучения.

3. Краткий обзор спиральных антенн

Спиральные антенны относятся к классу антенн бегущей волны. Они представляют собой металлическую спираль, питаемую коаксиальной линией. Имеется довольно много разновидностей спиральных антенн, однако почти все можно свести к следующим трем типам:

а) цилиндрическая (см. рисунок 3.1) ;

б) коническая (см. рисунок 3.2) ;

в) плоская (см. рисунок 3.3).

Рисунок 3.1 - Цилиндрическая антенна.

Рисунок 3.2 - Коническая антенна.

Рисунок 3.3 - Плоская антенна.

В зависимости от числа ветвей спирали, они могут быть однозаходные (одна ветвь), двухзаходные (две ветви) и т.д.

Принцип действия спиральных антенн

Спиральная антенна (рис. 4.1) состоит из проволочной спирали , питаемой коаксиальной линией. Внутренний провод этой линии присоединяется к спирали, а наружная оболочка - к металлическому диску.

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 перед экраном (диском). Кроме того диск спиральной антенны служит для уменьшения токов на наружной оболочке коаксиальной линии, уменьшения колебаний входного сопротивления в рабочем. Диаметр диска выбирается порядка (0.8-1.5)l, где l - длина спирали. Диск не обязательно выполнять из сплошного листа, его можно изготовить из системы радиальных и круговых проводов.

4. Основа работы цилиндрической спиральной антенны

Подробные исследования показали, что на излучающей цилиндрической спирали одновременно существует несколько типов тока, отличающихся друг от друга амплитудой и числом периодов, укладывающихся вдоль оси спирали со своим затуханием и со своей фазовой скоростью. Однако форма диаграммы направленности спирали зависит, в основном, лишь от одной, преобладающей волны, тип которой определяется соотношением между длиной витка спирали и рабочей длиной волны.

Введем следующие обозначения:

Рабочая длина волны в свободном пространстве;

Т q - волна тока в спирали q-го типа; q=0,1,2…. Целое число, указывающее, сколько периодов волны тока укладывается вдоль одного витка спирали;

V q - скорость распространения волны тока Т q по проводу спирали;

С - скорость света в свободном пространстве;

D - диаметр витка цилиндрической спирали.

Известно три режима работы цилиндрической спиральной антенны:

Когда длина витка спирали меньше 0.65 (при этом длина волны >5D), на ней преобладает волна Т 0 , характеризующаяся изменением фазы тока в пределах 360 0 на протяжении нескольких витков. Волна Т 0 от конца спирали приводит к образованию стоячих волн, которые и формируют диаграмму направленности антенны. Волна Т 1 имеет весьма малую амплитуду и в излучении не участвует. Максимальное излучение для этого случая получается в плоскости, перпендикулярной оси спирали(рис 4.2а) и в этой плоскости оно не направлено.

Если длина витка лежит в пределах от 0.75-1.3 (длина волны соответственно =4D-2.2D), на ней преобладает волна Т 1 , фазовая скорость которой меньше скорости света V 1 0.82 C. Волна Т 1 интенсивно излучается всеми витками, поэтому в спирали устанавливается бегущая волна тока, формирующая максимум излучения вдоль оси спирали (рис 4.2 б). Имеющаяся также на спирали волна Т 0 быстро затухает по длине спирали и ее вклад в диаграмму направленности невелик.

Режим осевого излучения является основным, наиболее используемым режимом для работы спиральных антенн, поэтому волна Т 1 , являющаяся преобладающей, когда длина провода витка спирали примерно равна рабочей длине волны, называется основной.

При длине витка спирали, большей 1.5 (в этом случай <2D), на цилиндрической спирали помимо основного типа волны Т 1 возникают волны Т 2 , Т 3 и т.д. Волна Т 1 становится затухающей, в то время как Т 2 имеет постоянную амплитуду и является определяющей в излучении. Максимальное излучение получается в направлениях, образующих острый угол относительно оси антенны, и пространственная диаграмма получается в форме конуса

Рисунок 4.1 - схема возбуждения спиральной антенны.

Рисунок 4.2 - спирали, имеющие разный диаметр, и соответствующие им диаграммы направленности.

5. Расчет параметров цилиндрической антенны

Параметрами цилиндрической спирали являются:

n - число витков спирали,

Угол подъема витка,

R - радиус спирали,

l - осевая длина спирали,

S - шаг спирали,

L - длина витка спирали.

Между указанными параметрами существуют следующие соотношения (см Рис 5.1):

Рисунок 5.1

Диаметр витков спирали и шаг намотки должны быть выбраны таким образом, чтобы каждый виток имел поляризацию, близкую к круговой, и максимальное излучение в направлении оси спирали (ось Z). Кроме того, нужно, чтобы напряженности полей, создаваемых отдельными витками в направлении оси Z, складывались в месте приема в фазе или с небольшим сдвигом фаз. В соответствии с теорией антенны бегущей волны максимальный коэффициент направленого действия получается в том случае, когда сдвиг фаз A1 между напряженностью поля, создаваемого первым (от источника) витком, и напряженностью поля, создаваемого последним витком, равен.

Для обеспечения круговой или близкой к ней поляризации поля, а также для обеспечения интенсивного излучения каждого витка в направлении оси Z нужно, чтобы длина витка была близкой к. Сказанное можно пояснить следующим образом. Предположим, что шаг витка бесконечно мал, тогда виток образует плоскую рамку. Как известно, в спиральной антенне КБВ получается близким к единице. Предположим поэтому, что в спиральной антенне имеет место режим бегущей волны. Предположим, кроме того, что скорость распространения тока по витку равна скорости света. При этом сдвиг фаз между током в начале и в конце витка равен.

В направлении оси Z составляющие векторов напряженностей поля Ex и Ey будут одинаковой величины.Сдвиг фаз между этими составляющими будет равняться /2. Последнее следует из того, что токи в элементах витка, ориентированных параллельно оси X, сдвинуты по фазе на /2 по отношению к фазе токов в элементах, ориентированных параллельно оси Y. Равенство величин Ex и Ey и сдвиг фаз между ними, равный /2, обеспечивает круговую поляризацию. При длине витка, равной, и скорости распространения тока вдоль провода, равной скорости света, обеспечивается также интенсивное излучение в направлении оси Z. Последнее может быть приближенно доказано следующим образом. Рассмотрим два произвольных элемента витка, расположенных симметрично относительно центра, например элементы 1 и 2 (рис. 5.2). Каждый из этих элементов имеет максимальное излучение в направлении оси Z. Векторы E, создаваемые этими элементами в направлении оси Z, паралллельны касательным к окружности в точках 1 и 2. Сдвиг фаз между токами в элементах 1 и 2 вследтвии режима бегущей волны равен. Кроме того, токи в этих элементах имеют противоположные направления, что эквивалентно дополнительному сдвигу фаз, равному. Таким образом, поля обоих элементов в направлении оси Z складываются в фазе. Нетрудно показать, что любые два симметрично расположенных элемента создают в направлении оси Z синфазные поля, что обеспечивает интенсивное излучение в этом направлении.

Приведенное здесь элементарное изложение принципа работы спиральной антенны не учитывает всей сложности происходящих в ней процессов и, в частности, то, что в действительности имеет место значительное отражение энергии от спирали. Кроме того, волна вдоль антенны распространяется как непосредственно вдоль провода, так и через пространственную связь между витками, что создает более сложную картину распределения тока.

Рисунок 5.2.

Для обеспечения круговой или близкой к ней поляризации поля, а также обеспечения интенсивного излучения каждого витка в направлении оси Z необходимо, чтобы длина витка была близкой к.

Шаг намотки и диаметр витка выбраны таким образом, что сдвиг фаз между напряженностями полей, создаваемых первым и последним элементами витка, то в направлении оси Z сохраняется круговая поляризация и максимальное излучение. Это будет иметь место при удовлетворении соотношения:

2????????????????

Сдвиг фаз между полями начального и конечного элементов витка, определяемый разностью хода лучей от этих элементов; - сдвиг фаз полей этих элементов, определяемый сдвигом фаз токов этих элементов.

Из вышеуказанного уравнения получаем соотношение между L и S, соответствующее круговой поляризации:

Если выбрать соотношение между S и L в соответствии с этой формулой, то сдвиг фаз между полями, создаваемыми в направлении Z соседними витками, также будет равняться 2. Таким образом поля всех витков антенны складываются в фазе, что обеспечивает максимальное излучение в направлении оси Z. Однако такой режим работы спиральной антенны не соответствует максимальному значению КНД. Максимальный КНД получается при сдвиге фаз между полями первого и второго витков, равном. Для этого нужно, чтобы:

где n - число витков спирали.

Из (5.3) находим соотношение между и S, соответствующее максимальному значению КНД:

При удовлетворении соотношения (5.4), однако, не получается чисто круговой поляризации, при этом несколько увеличивается уровень боковых лепестков. Коэффициент неравномерности поляризационной характеристики в направлении оси спирали равен:

Если данные антенны подобраны в соответствии с формулой (5.2) или (5.4), то хорошие направленные свойства сохраняются в значительном диапазоне, лежащем примерно в пределах от 0.75 до 1.3, где - волна, для которой подобрано оптимальное соотношение между L, C/V1, n и S.

Расчет антенны:

Исходные данные к расчету антенны

Рабочий диапазон длин волн: min=0.48 m

Ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности - 40 градусов

Расчет геометрических размеров антенны

Выберем среднее значение длины волны из заданного диапазона:

На основании экспериментальных исследований были получены следующие эмпирические формулы, справедливые для 5

Ширина диаграммы направленности по половинной мощности, выраженная в градусах:

Коэффициент направленного действия(КНД) в направлении ее оси:

Входное сопротивление

Шаг спирали можно найти из условия (5.2), если необходимо получить круговую поляризацию, либо из (5.4), для получения максимального КНД.

Пусть нам необходима круговая поляризация, тогда

шаг спирали равен

Удовлетворяет условию 12 0 <<15 0 , значит мы можем применить формулы, полученные на основании экспериментальных исследований:

Для нахождения длины антенны, выразим l=nS из (5.7) при удовлетворении условия (5.9):

А значит число витков равно:

Для дальнейших расчетов округлим число n до целого: n=8, тогда

l=nS=0.986м(5.14)

Радиус спирали будет равен (см.рис.5.1):отсюда

Входное сопротивление антенны в режиме осевого излучения остается чисто активным, так как в этом режиме в проводе спирали устанавливается режим бегущей волны.

Пусть нам необходимо получить максимальный КНД, тогда

Чтобы излучение антенны было осевым примем длину витка спирали равной средней длине волны заданного диапазона:

шаг спирали равен

Угол намотки витков будет равен:

Удовлетворяет условию 12 0 <<15 0 , значит мы можем применить формулы, полученные на основании экспериментальных исследований:

Для нахождения длины антенны, выразим l=nS из (5.7) при удовлетворении условия (5.18):

А значит число витков равно:

Для дальнейших расчетов округлим число n до целого: n=6, тогда

l=nS=0.846м(5.23)

Радиус спирали будет равен:

Длина провода для намотки спирали будет равна:

Коэффициент направленного действия:

Входное сопротивление

Для обоих случаев:

Диаметр диска экрана принимается равным (0.9-1.1) ср

Диаметр провода спирали выбирается порядка (0.03-0.05) ср

Расчет диаграммы направленности:

Приближенно можно считать, что амплитуда бегущей волны в спирали постоянна. Тогда диаграмма направленности антенны может быть представлена произведением диаграммы направленности одиночного витка на диаграмму направленности решетки из n ненаправленных излучателей, где n - число витков:

где - угол относительно оси спирали.

Это приближение справедливо тем больше, чем больше витков n имеет спираль и чем меньше шаговый угол.

Диаграмма направленности одиночного витка приближенно описывается выражением

Множитель решетки, как известно, равен

Применительно к спиральной антенне

сдвиг фаз между токами соседних витков. Учитывая, что С/V1=1.22, для расчета диаграммы направленности цилиндрической спиральной антенны получим следущее приближенное выражение:

В итоге при получении максимального КНД, будем иметь диаграммы направленности для трех значений длин волн: min , ср, мах:

При получении круговой поляризации, будем иметь диаграммы направленности для трех значений длин волн: min, ср, мах:

Согласование антенны с коаксиалом(Zв=75 ом)

Согласовать антенну с коаксиалом можно несколькими способами:

Согласование четвертьволновым трансформатором:

Согласование антенны с входным сопротивлением Z3=120 Ом с коаксиалом Z1=75 Ом осуществляют куском коаксиала с =95 Ом, длиной L==0.14м, а антенны с входным сопротивлением Z3=154 Ом с коаксиалом с =110 Ом

Согласование коаксиальной конической линией

Согласование осуществляют неотражающими конусами, длиною в целое число полуволн, путем выполнения проводников в виде соответствующих линейных конусов. Причем чем больше длина согласующего звена(укладывается больше полуволн), лучше будет осуществляться согласование с антенной.

6. Выводы по проделанной работе

спиральный антенна излучение поляризация

В процессе выполнения курсового проекта был проведен расчет однозаходной цилиндрической спиральной антенны: геометрические размеры антенны и характеристики излучения антенны. Так как в основе работы спиральной антенны лежит круговая поляризация, то данный тип антенн относят к широкодиапазонным антеннам. Ниже приведены полученные результаты:

шаг спирали S = 0.053 м;

длина витка спирали = 0.192 м;

радиус спирали = 0.03 м;

длина спирали Lz = 0.567 м;

коэффициент направленного действия D = 30 дБ;

входное сопротивление антенны Rвх = 31.7 Ом;

число витков спирали N = 6 ;

угол намотки витка спирали = 16 градусов;

диаметр диска антенны = 0.652 м;

рабочая длина волны = 0.175 м.

Список использованных источников

Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ.- М.: Связь, 1971. В 2-х частях.

Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. - М.: Энергия, 1973.- 440 с.

Воскресенский Д.И. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов

Юрцев О.А.,... Спиральные антенны. - М.: Советское радио, 1974. - 224 с.

"Линии передачи сантиметровых волн", ч.I-II. Пер. с англ., под ред. Г.А.Ремеза. Изд-во "Сов.радио", 1961

лавные проблемы, возникающие при использовании беспроводных сетей стандарта 802.11b/g, — это недостаточно стабильная связь из-за слабого уровня принимаемого сигнала, и сильная зависимость скорости передачи от расстояния между беспроводным сетевым адаптером и точкой доступа. Так, если в пределах комнаты (офиса) одна точка доступа в состоянии обеспечить устойчивую работу беспроводных клиентов, то гарантировать устойчивую связь с клиентом, находящимся за стеной, уже вряд ли возможно, а уж две стены сможет «пробить» далеко не каждая точка доступа.

Если говорить об эксплуатации беспроводной точки доступа в квартире или офисе, ситуация, когда беспроводные клиенты находятся в разных комнатах и отделены от точки доступа стеной, а то и двумя, вполне реальна. Казалось бы, проблема решается достаточно просто: нужно лишь приобрести точку доступа с большой мощностью передатчика. Однако мощность передачи беспроводных устройств стандарта 802.11b/g регламентируется законодательными актами. В частности, в полосе частот 2400-2483,5 МГц (то есть устройств стандарта 802.11b/g) для создания радиосетей передачи данных без частотного планирования и на безлицензионной основе допускается использование передатчиков с мощностью излучения, что эквивалентно изотропно-излучаемой мощности (ЭИИМ), не более 100 мВт. В случае превышения этого показателя требуется получение в Минсвязи лицензии на создание и эксплуатацию ведомственной радиосети передачи данных.

Есть и еще одно препятствие, причем более серьезное. Дело в том, что точек доступа и беспроводных адаптеров с мощностью передачи более 100 мВт, что эквивалентно 20 дБм (о том, как связаны эти единицы между собой, мы расскажем ниже), вообще нет в продаже (речь, конечно, идет об устройствах, ориентированных на конечных пользователей).

Что же остается делать в сложившейся ситуации? Можно, конечно, ориентироваться на распределенные беспроводные сети. Однако это решение нельзя назвать дешевым, поскольку для увеличения зоны покрытия беспроводной сети требуется использование уже не одной, а нескольких беспроводных точек доступа. Другой способ увеличить зону покрытия беспроводной сети заключается в использовании направленных антенн, которые не меняют параметр ЭИИМ (а значит, закон не нарушается), но усиливают сигнал в определенном направлении. В этой статье мы рассмотрим наиболее типичные примеры направленных антенн и расскажем о том, как их можно сделать самостоятельно из подручных материалов.

Характеристики направленных антенн

отя направленные антенны часто называются усиливающими и даже характеризуются коэффициентом усиления, но в действительности они передаваемый сигнал не усиливают. То есть если мощность передатчика, к примеру, составляет 50 мВт, то какую бы антенну мы ни поставили, мощность передаваемого сигнала от этого не изменится. Это и понятно: все антенны подобного рода являются пассивными, так что брать энергию для усиления передаваемого сигнала им попросту неоткуда.

В чем же тогда заключается эффект усиления сигнала передающей антенной? Представьте себе электролампу, освещающую помещение. Свет от этой лампочки распространяется приблизительно равномерно по всем направлениям, от чего во всей комнате становится светло. Однако ту же самую лампочку можно установить в фонарь, создав позади нее параболический зеркальный отражатель. В этом случае мы получим направленное распространение света, то есть луч света, который не будет освещать всю комнату, но сможет передать свет на значительно большее расстояние. Именно по такому принципу работают и внешние антенны: они не изменяют мощности передаваемого сигнала, но меняют диаграмму его направленности.

Изотропный излучатель

Антенны излучают энергию во всех направлениях, но эффективность передачи сигнала для различных направлений может быть неодинакова и характеризуется диаграммой направленности. Для того чтобы оценивать эффективность передачи сигнала для различных направлений, введено понятие изотропного излучателя (omni), или изотропной антенны.

Изотропный излучатель — это идеальный точечный источник электромагнитных волн, излучающий равномерное по плотности энергии поле сферической формы. В природе изотропных излучателей не встречается. Каждая передающая антенна, даже самая простейшая, излучает энергию неравномерно, но всегда имеется направление, в котором излучается максимум энергии. Понятие же изотропного излучателя рассматривается исключительно в качестве некоторого идеализированного эталонного излучателя, с которым удобно сравнивать все остальные антенны.

Диаграмма направленности антенны

Направленные свойства антенн определяются зависимостью напряженности излучаемого антенной поля от направления. Графическое изображение этой зависимости называется диаграммой направленности антенны. Трехмерная диаграмма направленности изображается в виде поверхности, описываемой исходящим из начала координат радиус-вектором, длина которого в каждом направлении пропорциональна энергии, излучаемой антенной в данном направлении.

Кроме трехмерных диаграмм, часто рассматривают и двумерные, которые строятся для горизонтальной и вертикальной плоскостей. В этом случае диаграмма направленности представляет собой замкнутую линию в полярной системе координат, построенную таким образом, чтобы расстояние от антенны (центр диаграммы) до любой точки диаграммы направленности было прямо пропорционально энергии, излучаемой антенной в данном направлении.

В случае идеальной изотропной антенны, излучающей энергию одинаково по всем направлениям, диаграмма направленности представляет собой сферу, центр которой совпадает с положением изотропного излучателя. При этом горизонтальная и вертикальная диаграммы направленности изотропного излучателя представляют собой окружности.

В случае направленных антенн на диаграмме направленности можно выделить так называемые лепестки, то есть направления преимущественного излучения. Направление максимального излучения антенн называется главным направлением, а соответствующий ему лепесток — главным. Остальные лепестки являются боковыми, а лепесток излучения, ориентированный в сторону, обратную главному направлению, называется задним лепестком диаграммы направленности антенны. Направления, по которым антенна не принимает и не излучает, называются нулями диаграммы направленности.

Диаграмма направленности характеризуется и шириной. Под шириной диаграммы направленности понимают угол, внутри которого коэффициент усиления уменьшается по отношению к максимальному не более чем на 3 дБ. Практически всегда коэффициент усиления и ширина диаграммы связаны между собой: чем больше усиление, тем уже диаграмма, и наоборот.

Самым простым типом антенны, который часто используется в беспроводных устройствах, является диполь Герца — в радиотехнике он эквивалентен небольшой антенне, размер которой гораздо меньше длины волны излучения (рис. 1).

Диаграмма направленности диполя Герца, изображенная на рис. 2, напоминает тор, поперечный разрез которого представляет собой две соприкасающиеся окружности. Приблизительно такую же форму имеют диаграммы направленности антенн различных передатчиков. Следует обратить внимание на то, что максимальный поток электромагнитной энергии излучается в плоскости, перпендикулярной оси диполя. Вдоль своей оси диполь не излучает энергии. Вертикальная и горизонтальная диаграммы направленности диполя Герца показаны на рис. 3 и 4.

Коэффициент усиления антенны

Еще одной важной характеристикой направленной антенны является коэффициент усиления, который показывает, во сколько раз эффективность данной антенны выше по сравнению с изотропным излучателем.

Коэффициент усиления антенны определяется как отношение плотности потока энергии, излучаемого в определенном направлении, к плотности потока энергии, который был бы зафиксирован при использовании изотропной антенной. Таким образом, коэффициент усиления антенны определяет, на сколько большую напряженность поля создаст данная антенна по сравнению с изотропной на одинаковом расстоянии при прочих равных условиях. Коэффициент усиления антенны измеряется в так называемых изотропных децибелах (дБи или dBi):

,

где k — коэффициент усиления антенны в заданном направлении; E — напряженность поля, создаваемого антенной в некоторой точке; E omni — напряженность поля, создаваемого изотропной антенной в той же точке.

Допустим, коэффициент усиления антенны в заданном направлении составляет 5 дБи — это означает, что в данном направлении мощность излучения на 5 дБ (в 3,16 раза) больше, чем мощность излучения идеальной изотропной антенны. Естественно, увеличение мощности сигнала в одном направлении влечет за собой уменьшение мощности в других направлениях.

Когда говорят, что коэффициент усиления антенны составляет 10 dBi, то имеется в виду направление, на котором достигается максимальная мощность излучения (главный лепесток диаграммы направленности).

К примеру, при использовании беспроводной точки доступа с мощностью передатчика 20 dBm (100 мВт) и направленной антенны с коэффициентом усиления 10 dBi мощность сигнала в направлении максимального усиления составит 20 dBm + 10 dBi = 30 dBm (1000 мВт), то есть в 10 раз больше, чем в случае использования изотропной антенны. Следовательно, с такой антенной и две бетонные армированные стены не станут проблемой.

	В физике мощность принято измерять в ваттах (Вт), но в теории связи для измерения мощности сигнала чаще используют децибелы (дБ). Данная единица измерения является логарифмической и может использоваться лишь для сравнения одноименных физических величин. Так, если сравниваются два значения A и B одной и той же физической величины, то отношение A/B показывает, во сколько раз одна величина больше другой. Если же рассмотреть десятичный логарифм того же самого отношения (), то мы получим сравнение этих величин, но выраженное уже в белах (Б), а выражение определяет сравнение этих величин в децибелах (дБ). Если, например, говорят, что одна величина больше другой на 20 дБ, то это означает что одна величина больше другой в 100 раз. Децибелы используются не только для сравнения величин, но и для выражения абсолютных значений. Однако с этой целью в качестве второй величины, с которой производится сравнение, принимается некоторое эталонное значение. Чтобы выразить абсолютное значение мощности сигнала в децибелах, за эталонное значение принимается мощность в 1 мВт, а уровень мощности сравнивается в децибелах с мощностью в 1 мВт. Эта единица измерения, получившая название децибел на милливатт (дБм), и показывает, на сколько децибелов мощность измеряемого сигнала больше мощности в 1 мВт.

Делаем направленные антенны своими руками

Большинстве случаев точки доступа стандарта 802.11b/g комплектуются миниатюрными штыревыми антеннами (рис. 5), которые могут быть как съемными, так и несъемными. В горизонтальной плоскости такие антенны являются всенаправленными с коэффициентом усиления не более 4 dBi.

Высота подобной антенны составляет 88 мм, но если такую антенну разобрать (рис. 6), то можно заметить, что длина самой антенны составляет всего 30 мм.

Рис. 6. Стандартная штыревая антенна в разобранном виде

Понятно, что ожидать от такой антенны чего-то серьезного не приходится, поэтому многие производители беспроводного Wi-Fi-оборудования в качестве аксессуаров к своим точкам доступа выпускают и направленные антенны с более высоким коэффициентом усиления. Основная проблема всех таких внешних антенн — это их неоправданно высокая цена: в среднем за такую направленную антенну придется выложить не менее 50 долл., хотя, по большому счету, ничего особенного в ее конструкции нет. Так почему бы не попробовать сделать такую антенну самостоятельно?

В этой статье мы рассмотрим несколько схем самодельных антенн для диапазона 2400 МГц, которые можно найти на различных Интернет-сайтах. Однако прежде чем приступать к практическим шагам и бежать в магазин «Чип и Дип», нелишне ознакомиться с типами разъемов, используемых для соединения антенн с кабелем.

ВЧ-разъемы для соединения антенн с кабелем

Для соединения антенн с кабелем используются специализированные высокочастотные (ВЧ) разъемы, которые можно приобрести в специализированных магазинах (например, «Чип и Дип»). Существует несколько вариантов таких разъемов, которые отличаются друг от друга и типом резьбы (дюймовая или метрическая), и типом кабеля (RG-58, RG-8 и пр.), и другими характеристиками. Кроме того, ВЧ-разъемы различаются и по способам крепления кабеля — обжимные, напаиваемые, под гайку.

Все разъемы классифицируются сериями. Так, существуют разъемы серий N, BNC, F, FME, SMA, SMB, TNC, UHF. К сожалению, единого стандарта маркировки разъемов не существует, а потому каждая компания-производитель использует свое собственное обозначение разъемов.

В большинстве случаев для создания направленных антенн рекомендуют использовать разъемы N-серии. Однако стоит учесть, что разъемы N-серии — самые большие и что их монтаж в некоторых случаях может быть неудобен. На собственном опыте можем сказать, что вовсе необязательно использовать разъемы именно N-серии. Главное, чтобы разъем типа Male (папа) соответствовал разъему типа Female (мама): один из этих разъемов устанавливается на рефлекторе антенны, а второй монтируется на кабеле. Понятно, что разъем, монтируемый на антенне, должен иметь либо фланец, либо гайки, которые позволяют укреплять его на рефлекторе (такие разъемы называют приборными).

На рис. 7-12 показаны разъемы различных серий. Нетрудно заметить, что SMA-разъемы — самые миниатюрные, а N-разъемы, наоборот, самые крупногабаритные.

с крепежной гайкой. Маркировка TNC-7401A

Маркировка TNC-7422

для монтажа на кабеле антенны.
Маркировка TNC-7422

Отметим также, что в большинстве случаев и на самих точках, и на антеннах к ним используются миниатюрные разъемы типа SMA, причем на антеннах применяются разъемы типа Female с накидной гайкой, а на точках доступа — типа Male. Проблема заключается в том, что весьма непросто найти такой SMA-разъем для монтажа на антенном кабеле, чтобы он соответствовал разъему на точке доступа. Для решения данной проблемы есть три пути. Во-первых, заменить довольно редкий SMA-разъем на самой точке доступа, чтобы он согласовывался с разъемом, монтируемым на кабеле. Во-вторых, можно вообще избавиться от разъема на точке доступа и просто вывести антенный кабель напрямую — этот способ используется и в том случае, когда на точке доступа есть несъемная антенна и нет никаких разъемов. В-третьих, можно изготовить нужный SMA-разъем из самой миниатюрной антенны.

Программное моделирование антенн

После того как внесена некоторая ясность в дело с типами разъемов, приступим непосредственно к моделированию и производству антенн.

Для моделирования антенн можно использовать бесплатную утилиту EZNEC Demo v.4.0.15 (www.eznec.com), которая имеет ряд ограничений, но в простейших случаях вполне может использоваться для моделирования антенн. В частности, в демо-версии программы ограничено количество сегментов, из которых состоит антенна. Кроме того, невозможно использовать рефлекторы с заданными размерами, а тем более с заданной геометрией. Поэтому лучше купить или найти в Интернете полную версию программы.

Утилита EZNEC Demo v.4.0.15 совместима с 32-разрядными версиями Microsoft Windows XP/2000/2003. Рассмотрим более подробно, каким образом можно моделировать антенны с использованием этой утилиты.

После запуска программы мы попадаем в главное окно (рис. 13), в котором имеются основные характеристики антенны. Для конструирования новой антенны лучше всего выбрать из списка моделей, предоставляемых вместе с программой, наиболее подходящую и модифицировать ее. Чтобы получить доступ к базе моделей антенн, нужно просто нажать на кнопку Open.

Рис. 13. Главное окно программы EZNEC Demo v.4.0.15

Чтобы создать штыревую антенну, выбираем в базе модель Dipole1.ez. А для просмотра типа выбранной антенны, то есть ее схемы в декартовой системе координат, следует нажать на кнопку View Ant. В нашем случае это будет обычный стержень (рис. 14).

Для моделирования нужной антенны необходимо прежде всего задать частоту излучения, поэтому в главном окне программы вместо 299,793 МГц необходимо задать частоту 2473 МГц (частота излучения на шестом канале в сетях 802.11b/g).

Далее можно приступить к рисованию самой антенны. Антенна состоит из отдельных кусков проволоки, и для того, чтобы нарисовать антенну, необходимо задать координаты точек начала и конца каждого отдельного куска проволоки. Кроме того, можно задать диаметр проволоки. Все необходимые параметры геометрии антенны задаются в окне Wires.

К примеру, если мы хотим изобразить вертикальную штыревую антенну длиной 30 см, то необходимо в качестве координаты начальной точки задать значения — 0, 0, 0, а в качестве координаты конечной точки — 0, 0, 30. Если же наша антенна должна иметь Г-образную форму, придется использовать уже два куска проволоки.

Кроме того, главное окно позволяет указать положение точки подвода сигнала к антенне (точка соединения с фидером) (окно Sources), задать тип заземления, а также произвести множество других специфических настроек.

После того как модель антенны сформирована, можно посмотреть ее диаграмму направленности в окне FF Plot. Утилита EZNEC Demo v.4.0.15 позволяет строить как трехмерную, так и двумерную диаграмму направленности. Для рассмотренного примера Dipole1.ez трехмерная и вертикальная двумерная диаграмма направленности показаны на рис. 15 и 16.

Кроме построения диаграммы направленности, утилита EZNEC Demo v.4.0.15 позволяет рассчитать коэффициент усиления антенны и ширину главного лепестка. В нашем случае (см. рис. 16) коэффициент усиления равен 2,16 dBi, а ширина главного лепестка составляет 77,2°.

Штыревая антенна c перпендикулярным рефлектором

Самый простой вариант антенны — штыревая и именно такие антенны наиболее часто используются в беспроводных точках доступа.

Штыревая антенна часто называется несимметричным вибратором. Диаграмма направленности такой антенны мало отличается от диаграммы направленности диполя Герца. В горизонтальной плоскости антенна излучает энергию во все стороны равномерно, поэтому в горизонтальной плоскости такая антенна является всенаправленной, а следовательно, не приходится говорить о преимущественном излучении в определенном направлении. Используя утилиту EZNEC Demo v.4.0.15, можно смоделировать диаграмму направленности для различных длин антенны. Типичные варианты — когда длина антенны составляет четверть или половину длины волны излучения, и в большинстве штатных антенн точек доступа длина антенны составляет четверть длины волны излучения (30 мм). Так, для длины антенны 1/4 коэффициент усиления составляет 1,71 dBi, а для длины — 2,11 dBi. Если продолжать моделирование длины антенны, то для длины 3/4 коэффициент усиления составляет 3,33 dBi, а для длины — 3,43 dBi. Диаграмма направленности для длины антенны 3/4 показана на рис. 17.

Конструкцию штыревой антенны можно улучшить, использовав перпендикулярный к антенне рефлектор — металлическую поверхность (экран), выполняющую функцию идеальной заземляющей поверхности. Для длины антенны 1/2 в случае идеального рефлектора коэффициент направленного действия составит уже 7 dBi. Диаграмма направленности такой антенны представлена на рис. 18.

Разумеется, в действительности диаграмма направленности будет иметь несколько иную форму и коэффициент усиления окажется меньше. Дело в том, что при расчете диаграммы направленности утилитой EZNEC Demo v.4.0.15 предполагается, что рефлектор представляет собой бесконечную, идеально проводящую плоскость. Кроме того, не учитываются потери сигнала при распространении в самой антенне. Утилита EZNEC Demo v.4.0.15 частично позволяет внести поправки на «неидеальность» заземляющего экрана и учесть потери сигнала в самой антенне.

Для того чтобы сконструировать такую антенну, нам потребуется медный штырь (медная жила провода), диаметром 1,5-2 мм и длиной 65 мм, а также металлический рефлектор в форме квадрата со стороной порядка 100 мм или диск диаметром 80-85 мм. Такой диск делается из крышки металлической консервной банки. Кроме того, потребуются разъем N-серии типа Female с фланцем для крепления на рефлекторе антенны (например, N-7317), разъем N-серии типа Male для монтажа на кабеле антенны (например, GN-7301A), нужный для соединения с антенным кабелем, и сам кабель с сопротивлением 50 Ом/м (RG-58).

Разъем N-серии типа Female с фланцем необходимо закрепить на рефлекторе, для чего в центре рефлектора просверливается отверстие. Крепление можно выполнить как с помощью четырех болтиков, так и эпоксидным клеем. С одной стороны разъема N-серии с фланцем необходимо вставить медный стержень и дополнительно пропаять его. Если толщина медного стержня несколько больше отверстия в разъеме, то можно напильником уменьшить диаметр стержня в месте крепления.

Медный стержень должен выступать над поверхностью отражателя на 60 мм, что составляет половину длины волны излучения. Процесс производства данной антенны показан на рис. 19.

Штыревая антенна с параллельным рефлектором

Еще один способ модифицирования штыревой антенны заключается в том, чтобы использовать не перпендикулярный, а параллельный рефлектор. Прежде чем приступать к изготовлению такой антенны, смоделируем ее с помощью утилиты EZNEC Demo v.4.0.15. Разместим антенну параллельно плоскости XY вдоль оси X. В качестве точки подведения сигнала выберем точку E1 (точка начала антенны) с координатами (0, 0, z). Координаты точки E2 (точка конца антенны) соответственно будут (x, 0, z), где координата x определяется длиной антенны, а координата z — расстоянием от антенны до плоского рефлектора). В качестве «земли» выберем идеальную проводящую поверхность (Perfect). Варьируя длину антенны и расстояние до рефлектора, можно подобрать желаемую диаграмму направленности и коэффициент усиления.

На рис. 20 представлены диаграммы направленности, ширина главного лепестка и коэффициент усиления для антенны длиной 1/2 (60 мм) при различном расстоянии до рефлектора.

для штыревой антенны длиной 1/2l (60 мм)
при различном расстоянии до параллельного рефлектора

Для изготовления данной антенны, как и в предыдущем случае, нам потребуется медный штырь (медная жила провода), диаметром 2 мм и длиной 65 мм, два металлических рефлектора (один тоже в форме квадрата со стороной около 100 мм, а второй — в форме прямоугольника с размерами примерно 100x170 мм). Кроме того, опять потребуются разъем N-серии типа Female с фланцем для крепления на рефлекторе антенны и разъем N-серии типа Male для монтажа на кабеле антенны.

Легче всего собрать такую антенну путем небольшой модификации предыдущей схемы.

Отражающий экран будет состоять из двух взаимно перпендикулярных частей — горизонтальной и вертикальной. Разъем N-серии с медным стержнем крепится к горизонтальной части рефлектора, а вертикальный рефлектор устанавливается на расстоянии 12 мм (0,1l) перпендикулярно к горизонтальному рефлектору и, следовательно, параллельно самой антенне. Схема данной антенны показана на рис. 21.

с параллельным рефлектором

Симметричный полуволновой вибратор с рефлектором

Следующий вариант антенны, которую нетрудно изготовить в домашних условиях, — симметричный полуволновой вибратор с рефлектором, или полуволновая дипольная антенна.

Данная антенна состоит из двух симметричных разнонаправленных плеч, одно из которых заземлено (соединяется с рефлектором), а другое соединяется с центральной жилой антенного кабеля. Каждое из двух плеч такой антенны выполняется в Г-образной форме. Часть каждого плеча, параллельного плоскости рефлектора, составляет 1/4, поэтому общая длина такой антенны равна 1/2. Именно потому такую дипольную антенну называют симметричным полуволновым вибратором.

Прежде чем приступать к конструированию такой антенны, смоделируем ее с помощью утилиты EZNEC Demo v.4.0.15 с тем, чтобы определить оптимальное расстояние антенны от плоскости рефлектора.

На рис. 22 дана диаграмма направленности симметричного полуволнового вибратора с рефлектором при расстоянии между плоскостью рефлектора и плечами антенны равном 0,1 (12 мм). Коэффициент усиления антенны составляет 8,88 dBi, а форма диаграммы направленности говорит о секторном характере антенны.

с рефлектором

При изготовлении данной антенны нам, как всегда, понадобятся разъем N-серии с фланцем для крепления на рефлекторе антенны и разъем N-серии для монтажа на кабеле антенны. Кроме того, потребуется медная проволока диаметром 2 мм, а для изготовления рефлектора можно воспользоваться медным или алюминиевым листом в форме круга либо квадрата (это может быть даже сковорода). Габариты рефлектора могут быть любыми, но минимальный размер желательно сделать в два раза больше длины волны излучения (262 мм).

Схема этой антенны представлена на рис. 23.

Спиральная антенна с рефлектором

Еще один образец распространенных антенн для диапазона частот от 2 до 5 ГГц — это спиральные антенны с рефлектором. Такие антенны были изобретены еще в 1947 году Джоном Краусом. Спиральная антенна характеризуется количеством витков N, диаметром витков D и шагом спирали d.

Не вникая в сложные теоретические расчеты, приведем лишь конечный результат. В принципе, чем больше витков содержит антенна, тем выше коэффициент усиления. При этом радиус витка обычно выбирается исходя из условия, чтобы длина витка соответствовала длине волны излучения , то есть: 2 П R = , а шаг спирали должен быть равен четверти длины волны излучения: d = /4 .

Размер рефлектора, который устанавливается перпендикулярно оси спирали и может иметь форму диска или квадрата, должен быть не меньше длины волны излучения. При длине волны излучения 123 мм (частота 2437 МГц) получим, что диаметр витка должен быть равен примерно 40 мм, а шаг спирали — 30 мм.

К сожалению, моделирование данной антенны с использованием утилиты EZNEC Demo v.4.0.15 невозможно — в силу ограничения на количество сегментов, из которых состоит программа. Поэтому для расчета спиральных антенн необходимо воспользоваться полнофункциональной версией программы, что мы и сделали. Пример диаграммы направленности такой антенны для 12 витков показан на рис. 24. Отметим, что расчетный коэффициент усиления составляет 10,72 dBi. Дальнейшее увеличение числа витков не позволяет существенно увеличить коэффициент усиления антенны.

40 мм, шаг спирали — 30 мм.

Для изготовления этой антенны нам нужны пластиковая труба диаметром 40 мм (такие трубы можно приобрести на строительном рынке) и длиной около 40 см, медный многожильный провод в изоляции с диаметром сечения 1,5-2 мм. Провод наматывается вокруг трубы и приклеивается к ней. Такая конструкция антенны имеет импеданс около 150 Ом и требует правильного согласования со стандартным кабелем на 50 Ом. Самый изящный метод согласования — использование куска меди в форме прямоугольного треугольника, который является продолжением провода, намотанного вокруг трубы. Катеты треугольника имеют размеры 71x17 мм. С одной стороны треугольник подпаивается к проводу, а с другой соединяется с центральным штырем разъема N-серии. Рефлектор изготавливается из медной пластины в форме квадрата, а труба к рефлектору прикрепляется с помощью заглушки для трубы. Схема антенны показана на рис. 25.

В заключение отметим, что данная антенна вызывает круговую поляризацию, которая может быть как право-, так и левосторонней — в зависимости от того, как намотана спираль. Такие антенны должны применяться только в паре, то есть если на одной точке доступа используется спиралевидная антенна, то и на другой точке доступа должна быть спиралевидная антенна, причем с одинаковой намоткой спирали.

Антенна с биквадратным четвертьволновым излучателем и рефлектором

От предыдущих данный вариант отличается формой самой антенны. Основными конструктивными элементами антенны являются рефлектор, который выполняется из любого металла, и сам излучатель. Рефлектор может быть в форме диска диаметром 140 мм или квадрата со стороной 123 мм (); в последнем случае рекомендуется также использовать края высотой 31 мм (1/4 ). В центре рефлектора высверливается отверстие для крепления разъема N-серии.

Излучатель выполняется из медной проволоки диаметром 2 мм, которая сгибается так, чтобы сформировать две квадратные рамки со сторонами 31 мм (1/4). Свободные концы проволоки припаиваются друг к другу. Далее к рамке излучателя припаиваются проволочные ножки высотой 31 мм, как показано на рис. 26. Одна из этих ножек припаивается к центральной жиле антенного кабеля, вторая — к рефлектору.

Данная конструкция антенны позволяет получить коэффициент усиления 9,5 dBi. Диаграмма направленности такой антенны, рассчитанная утилитой EZNEC Demo v.4.0.15, представлена на рис. 27.

с биквадратным излучателем

Антенны из консервных банок

Направленные антенны из консервных банок получили широкое распространение благодаря не только простому исполнению, но и высокой эффективности. Существует множество вариантов изготовления подобных антенн, отличающихся друг от друга размерами. Основная идея, заложенная в конструкцию таких антенн, заключается в том, что консервная банка выполняет роль волновода, в котором образуются стоячие волны, — поэтому в данном случае немаловажным условием является точное соблюдение размеров.

Прежде чем переходить к описанию конкретных моделей таких антенн, вкратце рассмотрим основные теоретические аспекты. Введем следующие обозначения:

0 — длина волны в вакууме (открытом пространстве); если частоту измерять в ГГц, а длину волны в мм, то

.

C — минимальная критическая длина волны, которая может распространяться по волноводу. Данная длина волны зависит от внутреннего диаметра волновода: c = 1,1706·D ;

G — длина стоячей волны в волноводе, которая зависит от c и 0 .

В дальнейшем мы будем рассматривать волноводы в форме трубы, которая открыта с одной стороны и закрыта с другой. Такой волновод подобен короткому коаксиальному кабелю: входящий высокочастотный сигнал отражается от торца волновода, а отраженная волна накладывается на падающую волну. В результате суперпозиции этих волн возникает эффект стоячей волны. К примеру, если волны складываются в противофазе, то они ослабляют друг друга, а если в фазе, то, наоборот, усиливают.

Между длинами волн c , 0 и g существует следующая зависимость:

.

Из данного уравнения можно получить формулу длины стоячей волны:

Так, для частоты 2,437 ГГц и для внутреннего диаметра волновода D=83 мм получим, что длина стоячей волны составляет 248,4 мм, а минимальная критическая длина волны 141,6 мм.

А теперь, опираясь на введенные обозначения, рассмотрим пример создания волноводных антенн из консервных банок. При конструировании волноводов из консервных банок длина волновода должна составлять 3/4 g , а источник сигнала должен устанавливаться на расстоянии g /4 от закрытого торца банки. Как правило, диаметр консервной банки составляет 83 мм. Нетрудно рассчитать, что длина волновода в этом случае составит 186 мм. А поскольку таких длинных банок не бывает, то волновод придется состыковать из двух банок.

На расстоянии g /4 от закрытого торца банки высверливается отверстие под разъем N-серии с фланцем. В N-разъем вставляется медный стержень диаметром 2 мм, который выполняет функцию источника волн внутри волновода. Длина этого стержня должна составлять четверть длины волны излучения — в нашем случае 0 /4=31 мм. Модель данной антенны показана на рис. 28.

В случае применения данной антенны вне помещения необходимо также предусмотреть возможность закрытия банки с тем, чтобы избежать попадания внутрь грязи, снега, дождя и т.д. Для этого можно взять пластиковую крышку, но обычные крышки для банок не подойдут, поскольку могут несколько ослабить сигнал. Лучший вариант — использовать в качестве крышки пластик от посуды, предназначенной для микроволновой печи, который можно просто приклеить к банке эпоксидным клеем.

Изобретение относится к антеннам сантиметрового, дециметрового и метрового диапазонов с эллиптической поляризацией излучения и может быть использовано в приемо-передающих системах радиосвязи и радиопеленгации, например, для связи с искусственными спутниками земли, в летательных аппаратах и передающих станциях. В ближней зоне активного излучателя с эллиптической поляризацией излучения (например, активной цилиндрической спирали 1, размещенной над металлическим экраном 3) помещают пассивную цилиндрическую спираль (ПЦС) 4 с направлением намотки витков, противоположным направлению вращения вектора электрической составляющей электромагнитной волны, излучаемой активным излучателем. Облучая ПЦС, возбуждают в ней бегущую волну тока, фаза которой в каждом витке зависит от расстояния до активной цилиндрической спирали 1. Сложение электромагнитных волн активной ЦС и ПЦС 4 в дальней зоне формирует ДН антенны. Перемещение ПЦС в осевом направлении изменяет разность фаз между бегущими волнами токов в активной ЦС 1 и ПЦС 4 в каждом из витков и соответственно разность фаз излучаемых полей. Благодаря этому, происходит усиление или ослабление суммарного электромагнитного поля в дальней зоне в зависимости от рангов возбуждаемых в спиралях волн токов. Ранги основных бегущих волн токов задаются конструктивно выбором длины витка спиралей.