AntennaBOX: Розрахунок Helical антен та відмінності від антен зі штучною еліптичною поляризацією

Основна відмінність спiральних антен від антен зі штучною еліптичною поляризацією (Cross-YAGI) полягає в тому, що в спіральних поле формується по всій довжині спіралі в кожній точці і остаточно сформовано після третього оберту, а в Cross-YAGI додаванням двох ДС ортогональних площин. Звідси випливають важливі висновки...

Усі сигнали підсумовуються за вектором, тобто спиральна антена сумує всі компоненти багатопроменевого сигналу з якою б фазовою затримкою вони не прийшли на антену
Величина затримки та швидкість зміни сигналу менше, відповідно, менше та швидкість зміни рівня сигналу. Що сприятливо впливає на роботу детектора приймача
Спіральна антена менше трьох обертів неефективна для роботи з круговою поляризацією (дивись анiмацiю моделювання нижче)
Нечутливість до відбитих сигналів
Електричну довжину оберту можна порівняти з довжиною хвилі, коли фази струмів на сусідніх обертах змінюються на Pi
Високий імпеданс 120-240 Ohm
Порівняно невеликий приріст підсилення Gа на один оберт ~1.15 dB та зменьшується з кожним обертом більше й більше (для порівняння в UDA-Yagi цей приріст ~2.15 dB на елемент й теж зменьшується з кожним елементом антени хвилі що біжить)

Переваги еліптичної (кругової) поляризації

Цимес у використанні антен із крос-поляризацією для роботи через ICЗ, на відзеркаленнi від слідів іонізованих газів при проходженні метеорів атмосфери, у тому числі EME (радіозв'язок Земля-Луна-Земля), завжди є. Полягає він у повороті площини поляризації при проходженні хвилі через атмосферу, магнiтне поле Землi або при вiдзеркаленнi. Атмосфера містить частинки пилу та води, а поворот поляризації на кордоні водяна крапля – повітря загальновідомий факт. Кругова поляризація тому і обрана для зв'язку "земля-космос", що найменше піддається впливу в середовищі розсіювання. При проході хвилі з RHCP або LHCP через атмосферу (не забуваємо про суттєву відстань у 35-42 тис км) хвиля з круговою поляризацією перетворюється на хвилю з еліптичною, де одна з компонентів, вертикальна або горизонтальна небагато, але превалює одна над іншою. Через рух повітряних мас, частинок пилу, води та ефекту Фарадея ці компоненти послаблюються по-різному, непередбачуваним чином, вертикальна і горизонтальна компоненти плавають по амплітуді, тому крім рецесії супутників, внесок, хоча і в меншу сторону надає і атмосфера. Ось вам і відповідь на питання чому антени лінійної поляризації працюють в одному з положень краще за деякий час.

На анімації кругова RHCP:

Кругова поляризація - лише окремий випадок еліптичної. З цього випливають важливі висновки:

Сигнал з еліптичною поляризацією здатний проникати як крізь вертикальні, так і горизонтальні перешкоди та їх похідні під різними кутами з мінімальними втратами рівня сигналу. Тобто. рослинність, ґрати на вікнах не будуть скільки-небудь послаблюючими перешкодами.
Перевідбитий сигнал не надає ніякого впливу прийом основного сигналу з допомогою зміни поляризації при відбитку від перешкоди, тобто. для приймальної антени відбитого сигналу немає.
Сигнали, що заважають, з лінійною поляризацією будуть ослаблені на -3 dB, тобто. удвічі. Аналогічно і ви менше заважатимете сигналам з лінійною поляризацією (див. таблицю).

До пояснення взаємозв'язку векторів лінійних компонент та вектора кругової поляризації (зверніть увагу, що за період несучої вектор круговий здійснює один оборот):

Моделювання розподiлення ЕМ поля в Helical по довжинi бума (вiд оберту):

Бiльше обертiв - бiльше пiдсилення?

Тiльки до 6..10 оберту (в залежностi вiд частот) ще має сенс, бо з кожним обертом ростуть й втрати, а ось дiаграма спрямованностi становиться дуже гострою.

Гостра ДС не дуже добре при експлуатації:

Бiльше матерiалiв
Вiтер (колихання довгого буму по азимуту та куту мiсця, а значить й основного пелюстка ДС... ви втрачатимите сигнал)
Необхiднiсть жосткого крiплення
При рецесiях супутника необхiднiсть пiдстроювання

Ще нюнс, що основна пелюстка витягується, але бічні пелюстки випромінювання в спіральних антенах залишаються. Якщо стоїть мета приховування випромінювання локально, то спіральну антену треба встановлювати в конусний рефлектор.

(в Helical антенах вектори ЕМ крутить зi швидкiстю 1/F за секунду)

Приклад розрахунку Helical антени

Вихідними даними для розрахунку спіральної антени є – середня робоча частота Fср = 297 MHz та кількість витків n = 6. Для моделювання поведінки спіральної антени методом моментів у MMANA можна використовувати модель з наших минулих публікацій, а для швидких розрахунків номограму. Номограма пов'язує розміри спіральної антени та число витків з її електричними параметрами – вхідним опором, КНД та шириною діаграми спрямованості.

Послідовність розрахунку наступна:

Середня частота Fср = 297 MHz
Крок оберту S = 0.24 лямбда = 0.24 * 300 / Fср = 242 mm (варіювати ви можете в межах 0.23-0.25 лямбди, менше крок - трохи вище за пiдсилення)
Довжина оберту (периметр) c = 300 / Fср = 1010 мм
Кількість обертiв n = 6
Діаметр провідника спіралі 0.4% від довжини хвилі = 4 mm
Діаметр оберту спіралі для осьового випромінювання режиму 0.32λ = 320 mm
Ширина основної пелюстки діаграми спрямованості за рівнем половинної потужності θ/2 = 52 * λ / с * v (n * S / λ) = 52 * 1 * v (6 * 242 / 1010) = 62 °
Діаметр рефлектора обирається більшим ніж 0.5λ, тому що при цьому вхідний опір спіральної антени при підключенні рефлектора змінюється незначно. При високих діаметрах рефлектора збільшується величина зворотного ослаблення. Найчастіше діаметр рефлектора вибирають рівним подвоєного значення діаметра оберту спіральної антени, т.е. е. 0.62λ = 624 мм
Коефіцієнт пiдсилення G = 10 lg (c * c * S * n * 15) = 10 lg (1.01 * 1.01 * 0.242 * 6 * 15) ~ 13 dB

Насправді можна розрахувати спіральну антену і на 50 Ohm, що не вимагатиме додаткового узгодження. Ось тільки діаметр провідника спіралі буде нереальний - більше 70.7 мм (діаметр провідника близько 7% довжини хвилі), що в домашніх умовах практично не реалізується. А якщо й реалізовано, то уявіть собі вагу антени та привабливість для "металістів" цієї гори металевого щастя. Також можна з'єднати паралельно в стек дві спіральні антени (з протилежним напрямком намотування для лінійної поляризації) і живляться синфазно, розташованих на відстані 0.5 λ або 1.5 λ, домігшись не тільки автоузгодження, а й відмінного пiдсилення (Sum KndB мінус втрати у фідер антен. Просто тому, що для 1-антени входять у гру конструктивні обмеження у вигляді довжини буму. Нагадаю, що довжина оберту спіралі на SATCOM близько 24 cm і вже за 10 витків довжина буму більше 2.5 m з урахуванням кріплення. Такі антени через вузьку ДН доводиться крутити, а не кожен дах може це дозволити.

Методика налаштування спіральної антени з узгодженням притисканням оберту

В обговореннях часто можна зустріти критику узгодження притисканням оберту, що це псує ДС спіральної антени. Так ось у роботі - Inﬂuence of Wire-Based Impedance-Matching on Helical Antenna Radiation and Limitations Equivalent Model авторами побудована модель такого узгодження та за допомогою HFSS проведено дослідження ДС антени при його використанні. Було показано, що узгоджуючий провід над площиною рефлектора практично не впливає на діаграму спрямованості і коефіцієнт відзеркалення та ДС спіральної антени можна оптимізувати (налаштувати) незалежно. На цьому подальші суперечки вважатимуться закритими і які мають під собою обгрунтування.

Для повторення результатів потрібно виконати такі дії:

Без безехової камери направити антену вгору, в небо, щоб у поле антени не потрапили відбивають предмети. Навіть незважаючи на те, що при відображенні від місцевих поляризація змінюється на протилежну, а самі антени кругової поляризації не чутливі до відбитого сигналу, ослаблення між RHCP і LHCP досягає -30 dB, це не означає, що ближні предмети з провідного матеріалу не спотворять параметри антени. Якщо цього не зробити, на векторнику ви спостерігатимете хибні горби і намагатиметеся їх компенсувати, що є "Сізіфова праця"
Підключення векторного аналізатора виконати безпосередньо до антенного роз'єму антени або через короткий фазостабільний відрізок 50 Ohm кабелю. Наприклад, RG-402. Якщо ж ви використовуєте більш довгий кабель, перед вимірюваннями для отримання адекватних даних його потрібно компенсувати (використовуйте калібрування кабелю у векторнику). Використання кабелю імпедансом 75 Ohm або будь-яким іншим імпедансом у режимі напівхвильового повторювача для проведення вимірювань не застосовується, оскільки трансформація імпедансу антени до антеного гнізда векторника буде на дуже вузькій частотній ділянці і по краях ви отримаєте великі похибки. Ті самі резонанси кабелю у вигляді хвиль
Спочатку встановити рефлектор на бумі на відстані 185 мм від центру першої нижньої діелектричної розпірки спіралі
Повільно пересуваючи рефлектор за бумом (вище або нижче) і контролюючи комплексний імпеданс або VSWR на векторному антенному аналізаторі, домагаються його максимального зниження. Як правило, при не притисненому витку спіралі VSWR не нижче 2, а резонанс може бути осторонь центральної частоти
Фіксують хомутами куточки на бумі
Підкручуючи болт першого вузла узгодження і зміщуючи ділянку спіралі поряд з конектором, поступово пересувають робочу ділянку в середину діапазону, домагаються зниження VSWR максимально ближче до 1. У міру усунення смуги антени регулювання стає гострішим, порядку напівобороту болта. При цьому в місці стику спіралі з конектором, її ділянка набуває форми напівхвилі, яка піднімається біля конектора і на відстані 15 мм різко опускається до рефлектора і далі повільно піднімається по ходу спіралі
Виробляють фіксацію вузла узгодження за допомогою акрилового лаку Plastik-71 чи фарби.
Тонку настройку антени за місцем проводять за допомогою другого вузла узгодження, що виконує роль механічного стабілізуючого елемента на довжині чверті оберту. Даному лайфхаку присвячено відео нижче
Після налаштування антени місця контактів додатково покривають гумовою фарбою Farbex

Про псевдорефлектор Helical антени

Колись давно робив дослiд використання узгодження полотном антени без окремого рефлектору:

Cлiд зауважити, що реальний рефлектор у спіральних антенах виконує наступнi основні функції:

Роль ємнісного навантаження, що компенсує індуктивну складову полотна антени
Відзеркалення хвилі T1 у площині буму в одному напрямі
Зменьшення рiвня бокових пелюсток, а отже збiльшення пiдсилення через зрiст КНД антени

Отже використання без рефлектору можна рекомендувати тiльки у випадках, коли:

Нема завад за площиною псевдорефлектору, щоб не смоктало шум вiд промислових приладiв (а це умови не мiста)
Коли нема вибору та можливостi використовувати великий рефлектор через його парусність або замало мiсця

Як зменьшити бiчнi пелюстки в дiаграмi спрямованностi Helical антени

Просто використати конусний рефлектор:

Наглядно як зміниться діаграма спрямованості спиральної антени при використаннi конусного рефлектора замість плоского відбивача:

Постскриптум

Шановні читачі, якщо мої дописи вас зацікавили – пiдтримайте збiр або ставайте спонсорами Youtube-каналу LaboratoryW з ексклюзивними лайфхаками.

Кориснi матерiали

неділя, 19 травня 2024 р.

Розрахунок Helical антен та відмінності від антен зі штучною еліптичною поляризацією

неділя, 19 травня 2024 р.