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