С ростом популярности мобильной радиосвязи увеличивается интерес радиолюбителей к малогабаритным антеннам. Кроме классических дипольных излучателей, в последнее время распространение получают малогабаритные петлевые антенны и спиральные (helix) антенны. Однако спиральным антеннам требуется противовес, т.е. их параметры во многом зависят от свойств окружающей среды. Непредсказуемое изменение параметров таких антенн в зависимости от условий эксплуатации вынуждает конструкторов обратить внимание на другие типы излучающих устройств, которые лишены указанных недостатков.

Японскими специалистами Hideyuki Nebiya, JE1BQE, Nozomu Hasebe и Satoshl Nagasawa предложена небольшая УКВ-антенна с относительно высоким коэффициентом усиления, диаграмма направленности которой совпадает с аналогичным параметром полноразмерной петлевой антенны. В то же время, предлагаемая антенна не требует противовеса и без проблем может быть подключена к коаксиальному кабелю.

Антенна изготавливается в форме тороидальной катушки из провода длиной 1,5...1,6l . Конструкция антенны показана на рисунке. В отличие от прямой спиральной антенны, имеющей строго определенную длину, описываемое устройство представляет собой тороидальную катушку из провода, намотанного по спирали.

Наружный диаметр катушки колеблется от 1/15l до 1/5l , число витков — 18...34; при этом угол излучения может быть в пределах 4...34°. Магнитная составляющая излучения невелика, и уровень напряженности магнитного поля в ближней зоне антенны меньше электрической компоненты на 10 дБ. Это отличает спиральную антенну от малогабаритной магнитной вертикально поляризованной рамочной антенны.

Для оптимизации параметров конструкции были измерены и рассчитаны резонансная частота, распределение излучения, коэффициент усиления и другие характеристики антенны. Теоретический анализ проводился с помощью классического метода EMF (косинусоидального распределения тока вдоль элементов антенны) и метода моментов.

Выяснилось что используя метод моментов, достаточно точно рассчитывается резонансная частота, а классическим методом — коэффициент усиления антенны, направление излучения и его сопротивление. Таким образом, расчетным путем можно определить параметры антенны для требуемого диапазона. На пути создания подобной антенны для КВ-диапазонов необходимо лишь преодолеть трудности изготовления механически жесткой конструкции.

Для рассматриваемой спиральной антенны справедливы следующие соотношения:

Ii = L sina, (1)

Ip = L cos a, (2)

a = L₁ / 2p (3)

2s = L_p / np (4), где

• L — заранее заданная длина провода;
• n — число витков с радиусом s;
• a — угол между витками;
• Ii — длина окружности с радиусом а;
• Lp/n — длина окружности одного витка с радиусом s.

Для прямой спиральной антенны отношение резонансной частоты к fo (fo - c/L, где с — скорость света, L — длина провода) непрерывно увеличивается с уменьшением а и увеличением числа витков n (fреэ / fо = 1.3...1,9). Для полноразмерной петлевой антенны в форме кольца резонансная частота fрез = 1.07fо (при L = 1 м), и входной импеданс составляет 130 Ом.

Преимуществом спиральной кольцевой антенны является возможность непосредственного подключения к ней коаксиального кабеля, который не оказывает влияния на резонансную частоту антенны. Если уменьшать угол а или радиус s, увеличивается паразитная емкость между витками. Фазовая скорость при этом отличается от фазовой скорости в прямой спиральной антенне.

Результаты измерений нескольких экземпляров изготовленных антенн показывают, что отношение fpeз / fo для частот от 400 до 500 МГц составляет около 1,6. Этот коэффициент изменяется с частотой. Так, на 144 МГц он равен 1,50. Результаты измерений хорошо согласуются с расчетными данными по методу моментов, если fрез / fo умножить на коэффициент компенсации, который в данном случае равен 0,81/cos(1,3oc).

При рассмотрении характеристики излучения спиральной кольцевой антенны в качестве позитивного фактора можно отметить, что максимум напряженности магнитного поля во всех плоскостях не менее чем на 10 дБ (обычно -13 дБ) ниже напряженности электрического поля.

Диаграмма направленности кольцевой спиральной антенны совпадает с диаграммой направленности полноразмерной петлевой антенны (т.е. имеет форму "восьмерки"), однако спиральная антенна излучает в горизонтальной плоскости (при горизонтальном размещении антенны), причем форма диаграммы направленности совпадает с диаграммой направленности полуволнового диполя. Для работы с вертикальной поляризацией антенну следует располагать вертикально и запитывать горизонтально. При внешнем диаметре всего лишь 0.176l , антенна имеет достаточно хороший коэффициент усиления (2 dBi) и широкую рабочую полосу частот (около 4% по уровню КСВ<2).

В таблице 1. приведены размеры и характеристики излучения четырех опытных образцов, имеющих различные углы а.

Опытный образец	А	В	С	D
Угол а	17.0	10.2	7.0	5.0
Число витков n	21	21	27	34
Относительный размер антенны (отношение l к внешнему диаметру катушки)	0.176	0.117	0.084	0.064
Относительный диаметр провода (В пров / l )	0,0026	0,0012	0,0020	0.0013
Отношение fрез/fo	1.6	1.6	1.65	1.68
Коэффициент усиления G, dBi	2,0	1,2	0,5	-0,5
КПД, %	95,5	82,.2	72,4	58,9
Ширина полосы по уровню КСВ<2, %	4.2	1.4	0.4	0.4

Таблица 1.

Даже образец С показывает более высокий коэффициент излучения, чем петлевая антенна такого же диаметра (G = -2,2dBi, КПД —40%).

Расчет кольцевой спиральной антенны очень прост.

Произведение нужной длины волны (l ) на коэффициент k дает длину провода L, т.е.

L = k / l .

Радиус, а рассчитывается по формуле:

а = L · sina / 2 p (5)

Диаметр витка 2s:

2s = L / n · p (6)

Для оптимального угла излучения 17° и 21-го витка спирали, взяв за основу расчета k = 1 ,6, получаем, что в диапазоне 435 МГц антенна должна иметь следующие конструктивные параметры: длина провода L — 110 см, радиус а — 5,1 см, диаметр спирали 2s — 1,66 см. Диаметр проволоки на практике некритичен, но для повышения механической прочности он должен составлять 1,2..1,6 мм.

Для диапазона 145 МГц (k = 1,6) при угле излучения 17° и 21-м витке спирали длина провода L получается равной 3,1 м; радиус, а — 14,4 см; диаметр спирали 2s — 4,7 см. При изготовлении антенны придется предусмотреть элементы, обеспечивающие жесткость конструкции.

Ж. Клечковская

Литература:

1."Spiralformige Ringantenne mit kleinen

2.Abmessungen", Funkamateur, 2002, N8.