Коллинеарные системы | RadioUniverse
Согласно рис. 5.61б наибольшее значение усиления коллинеарных антенн достигается при расстоянии между диполями S = (0,3…0,5)λ.
Усиление антенны при изменении числа используемых полуволновых коллинеарных диполей можно определить из табл. 5.8.
| Число диполей, n | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Усиление, дБ | 0 | 1,8 | 3,2 | 4,5 | 5,4 | 6,2 | 6,9 | 7,5 |
Главный лепесток диаграммы имеет форму диска, лежащего в плоскости, перпендикулярной оси антенны (экваториальной плоскости). Чем больше излучающих элементов содержит антенна, тем уже главный лепесток диаграммы. При n > 2 в диаграмме появляются небольшие боковые лепестки. В экваториальной плоскости диаграмма имеет форму круга, которая не зависит от числа элементов излучения.
Простейшей коллинеарной антенной является антенна Франклина (рис. 5.62), состоящая из двух полуволновых вибраторов.
Входное сопротивление антенны зависит от отношения d/λ, где d — диаметр провода антенны, а также от высоты подвеса антенны над землей. Входное сопротивление составляет от 1000 до 3000 Ом. Следовательно, антенна должна быть возбуждена с помощью резонансной линии, трансформирующей сопротивление на меньшее, например на 300 Ом.
Добавляя к концам диполя полуволновые отрезки, возбуждаемые через четвертьволновые замкнутые отрезки, получим антенну с большим усилением (рис. 5.62в, г). Если из коллинеарной антенны исключить шлейфы, изменяющие фазу на 180°, а концы вибраторов соединить между собой, та мы получим антенну типа LW.
Для трехэлементной коллинеарной антенны существуют два способа питания: напряжением (см. рис. 5.62в) и током (см. рис. 5.62г). Главный лепесток трехэлементной антенны значительно уже, чем у полуволновой антенны (рис. 5.62д). Еще более узкий лепесток имеет четырехэлементная антенна. Дальнейшее увеличение длины антенны дает меньший прирост усиления.
В антеннах с питанием напряжением (рис. 5.62в, е
Длина вибраторов l = 0,485λ, а длина шлейфов, выполненных в виде симметричной воздушной линии, lS = 0,242λ. Если шлейфы выполнить из двухпроводной линии в ленточном диэлектрике, то их длина lS = 0,205λ. Если же в качестве шлейфа использовать отрезок коаксиального кабеля, то его длина lS = 0,165λ.
Размещение вибраторов на расстоянии 0,25λ друг от друга несколько увеличивает усиление антенны. Этот эффект достигается путем отгибания половинок шлейфа в разные стороны, что позволяет расположить вибраторы на нужном расстоянии. Токи в обоих отрезках длиной λ/8 противоположны токам в полуволновых диполях, а их амплитуда мала. Такая антенна имеющая длину 5λ/4, называется вытянутой антенной Цеппелина и имеет усиление около 3 дБ, что соответствует усилению трехэлементной коллинеарной антенны. Используя этот принцип, можно построить четырехэлементную антенну, имеющую усиление около 7 дБ (рис. 5.63в). В этой антенне два средних вибратора удлинены (фазовая длина составляет 280°), а крайние удлинены с одной стороны (фазовая длина составляет 230°).
Это дает возможность получить расстояние S большее, чем 0,25λ.
Для лучшего согласования с линией питания следует найти соответствующую точку на замкнутой части шлейфа. Питание в эту антенну можно также подавать через замкнутую часть бокового шлейфа.
Устанавливая вертикально коллинеарную антенну, получаем антенну с круговой в горизонтальной плоскости диаграммой направленности, которая имеет большое значение усиления (рис. 5.64).
Выполнение четвертьволновых шлейфов из коаксиального кабеля позволяет получить более компактную конструкцию. Если вибраторы выполнить из полых трубок, то коаксиальные шлейфы можно разместить во внутренней полости вибраторов.
- Активные антенные системы
- Вверх
- Параллельная система излучателей
Коллинеарная антенна для сетей Wi-Fi
Хотел давно
описать построение коллинеарной антенны (КА), так как большинство
документации, найденной в сети на английском или ином языке.
Таких антенн мной было
изготовленно три или четыре штуки, но только в этот раз оказался под
рукой фотик…
Для
информации : конструкций КА в сети валом, начиная от сложных
конструкций, которые невозможно настроить в домашних условиях без
специальных устройств, до КА из коаксиального кабеля, что является
извращением. Но самая простая, на мой взгляд ARLX-OM2400 Collinear
Antenna , которую я уже не раз
делал. Для себя я сделал вывод : чем меньше элементов в КА, тем проще
ее изготовить и использовать в качестве наружной антенны (не
более 3-х элементов, включая первую часть согласования). Даже КА с одним
элементом должна (в теории) давать усиление 5dBi, что лучше
оригинальной и есть возможность установить антенну на улице.
Figure 2, 3. Что необходимо
подготовить для сборки КА. В моем варианте все тоже самое, что и в
оригинальном описании, за исключением разъема.
Я использовал разъем
N-типа фланец для крепления на поверхность, а не SMA разъем. К нему
удобно паять согласующий отрезок трубки диаметром 10мм и длиной 30мм.
Так как необходимо было изготовить КА “ну очень огромную” я использовал
не четыре фазирующие катушки, а восемь (на фото указано четыре штуки).
Если посмотреть ARLX-OM2400 Collinear
Antenna документ повнимательнее
– на титульном листе указаны усиления КА, если использовать всего одину
катушку и один вибратор (трубочка), то усиление КА – 5дБ, если четыре
элемента – 8дБ, если восемь – 12дБ, хоть это и чисто теоретические
цифры.
Figure
4. Конструкция КА с размерами. Слева на
право… Линия согласования из трубки 91,5мм и трубки 10х30мм для
кабелея 50 Ом. Далее идут определенное кол-во элементов КА, состоящих
из фазирующей индуктивности и трубчатого вибратора.
В оригинальной конструкции видно, что
элементы КА выполнены из латунных деталей. И конечно же все поверхности
должны быть отполированы, для таких частот поверхность антенны должна
быть именно такой!!!
Причем, указано что трубка окрашена черной
акриловой краской – прочтете сами для чего это сделано 🙂 Я думаю, что
можно использовать любую подходящую трубку “испытанную в СВЧ печке”.
Еще в первой конструкции я использовал пластмассовую трубку для монтажа
электропроводки (цвет трубки – темно-серый), внутренний диамерт трубки
10мм, внешний – 13-14 мм. Немного разогрев феном она свободно одевалась
на медную трубку 10х30 мм, припаянную к корпусу разъемаFigure 5. При сборке необходимо
начинать с пайки первого вибратора КА. Длина трубки должна быть 91,5 мм
– расстояние от разъема до первого витка фазосдвигающей катушки. И
только после этого можно приступать к пайке согласующей трубочки (фото
ниже).
Если все элементы хорошо
зачищены (надфиль, наждачная бумага, полировка) – а так и должно быть –
то пайка при помощи канифоли не составляет труда. Мдыы – не забываем
использовать паяльник 100 Вт для следующей операции
Figure 5. Согласующий элемент КА.
Пайку производить после зачистки и облуживания части разъема, прижимая
отрезок медной трубочки 10х30мм какой-нибудь хренью, для центрирования
трубки относительно первого вибратора, который был ранее припаян к
центральному проводнику разъема. После этих двух операций должно
получиться то, что на Figure 7.
Figure 8, 9, 10. показывают как делать
элементы КА по шаблонам. На Figure 8 показано, что необходимо
немного согнуть часть фазирующей катушки, что бы при монтаже можно было
выставить до мм все расстояния (катушки и трубчатого вибратора), а
только потом пропаивать.
Figure 11. Собранная антенна.
Припаиваем все трубчатые диполи с фазирующими катушками. Все это делаем
на металлической линейке для соблюдения размеров.
Figure 14. После того, как вся
конструкция собрана – упаковываем в трубку для герметизации. Берем
эпоксидку, заливаем в трубу, ставим вертикально, ждем высыхания
эпоксидки. Я использовал эпоксидку с временем кристаллизации 5 минут.
Кол-во эпоксидной смолы должно быть таким, что б при вертикальном
положении антенны не заполнилась трубка согласования 10х30мм. Верхняя
часть трубки также заливается эпоксидкой, только перед этим необходимо
вставить в трубу какую-нибудь пробку и ее утопить на 5-10мм во внутрь
трубы.
.. ну очень скользкий тип… все места склеивания эпоксидкой
приходилось обрабатывать крупным напильником. В общем “тяжелая”
конструкция, так не делайте! Из этих двух НО вытекает трудность в
конструкции крепления именно этой антенны. Конструкцию крепления
придумывайте сами. Сравним полученную КА (правый скриншот) со стандартной 2 dBi антенной (левый скриншот) из комплекта D-Link DWL-2100AP (стандартная прошивка), при помощи утилиты для DWL2100AP, DWL3200AP и BlueBox – AP Manager. Для связи с ТД использовался бук с PCMCI карточкой от D-Link DWL-G650 и расположенный на определенным рассоянии в помещении промышленного типа (стены, ж.б. перекрытия и арматура). Хочу заметить что скорость 24 Mbps я не хотел терять на графиках, поэтому не стал удаляться настолько от ТД что б скорость падала. Ну и еще одно ВАЖНОЕ замечание : новая КА соединялась к ТД при помощи кабеля RG-58C/U длиной 2 метра (это тоже необходимо учитывать при сравнении антенн), в отличие от стандартной внешней антенны от DWL-2100AP.
Коаксиальные коллинеарные антенны » Electronics Notes
Одной из очень популярных форм коллинеарной антенны является коаксиальная коллинеарная антенна, поскольку она обеспечивает элегантную конструкцию, особенно для экспериментаторов, радиолюбителей и т. д.
Антенны с фазированной решеткой включает:
Основы антенн с фазированной решеткой
Коллинеарная антенна
Коаксиальный коллинеарный
Антенны формирования луча и управления лучом
Коаксиальная коллинеарная антенна является идеальным решением для многих людей, желающих относительно легко построить форму коллинеарной антенны.
Хотя эта форма антенны популярна среди радиолюбителей из-за довольно простой конструкции, ее также можно использовать для многих других видов радиосвязи. Его можно использовать в составе базовой станции системы двусторонней радиосвязи. Он особенно популярен для УКВ- и УВЧ-радиосвязи, поскольку имеет не слишком большой размер и обеспечивает хороший уровень усиления
Как следует из названия, в коаксиальной коллинеарной антенне используются секции коаксиального фидера, образующие антенну.
Для предотвращения проникновения влаги и ухудшения состояния под воздействием других факторов окружающей среды антенна обычно помещается в полую трубку из пластика или стекловолокна. Таким образом получается элегантно выглядящая антенна с хорошей структурой, способная противостоять погодным условиям.
Как работает коаксиальная коллинеарность
Коаксиальная коллинеарная антенна представляет собой разновидность фазированной антенной решетки. Все различные секции или элементы антенны находятся на одной оси, что делает их коллинеарными в их геометрическом положении, то есть они образуют коаксиальную коллинеарную антенну с фазированной решеткой.
Хотя существует множество различных конфигураций, которые можно использовать, одним из популярных форматов является антенна, образованная из ряда коаксиальных секций или сегментов половинной длины волны с внутренними и внешними соединениями, переставленными на стыке каждой половинной секции, т.е. к внешнему, а внешнее связано с внутренним.
Последняя секция антенны имеет ряд опций. В некоторых случаях может использоваться короткое замыкание, тогда как в других может использоваться элемент последней четверти длины волны.
Хотя антенну можно использовать в симметричном формате, как показано ниже, ее также можно использовать как несимметричный вибратор с соответствующим согласованием каналов и т. д.
Концепция базовой сбалансированной коаксиальной коллинеарной антенныЧтобы понять, как это работает, сначала посмотрите на внешние секции. Они имеют короткое замыкание на четверть длины волны вдоль фидера. Это означает, что в конце этого элемента видимый импеданс будет преобразован из короткого замыкания в высокий импеданс.
Таким образом, интерфейс между двумя сегментами имеет высокое сопротивление на всем пути до точки подачи.
Видно, что используемый фидер представляет собой открытый провод с высоким импедансом или симметричный фидер. Это может быть преобразовано в некоторую форму схемы согласования импеданса, чтобы обеспечить хорошее согласование с более обычным кабелем с низким импедансом 50 Ом.
С точки зрения фактической работы, на концах сегмента напряжение по амплитуде и фазе близко к напряжению возбуждения антенны.
Поскольку внутренняя часть соединяется с внешней частью коаксиального кабеля на каждой половине длины волны, это означает, что токи, протекающие по внешней поверхности сегментов коаксиального кабеля, одинаковы для данной половины антенны.
На коллинеарной антенне максимальное излучение возникает там, где волновые фронты конструктивно объединяются.Поскольку токи находятся в фазе друг с другом, это означает, что каждый сегмент излучает сигнал с одинаковой фазой. Они конструктивно объединены, когда расположены под прямым углом к оси антенны.
Чтобы лучше понять и рассмотреть работу антенны, ее можно рассматривать как две антенны, поскольку на каждую секцию антенны приходится два проводника — один внутренний коаксиального кабеля, а другой внешний. одна антенна находится внутри другой, хотя это чередуется через каждую половину длины волны.
Как и следовало ожидать, из-за того, что используется фидер, токи, протекающие в проводниках каждой секции, равны и противоположны.
При чередовании проводников каждая половина длины волны дает синфазные источники излучения, что делает эту антенну фазированной решеткой, а в результате отсутствия сдвига фаз между секциями излучение перпендикулярно оси антенны.
Однополюсный вертикальный коаксиальный коллинеар
Хотя описанную выше антенну можно использовать, коллинеарные антенны в большинстве случаев (но не во всех) используются для вертикальной несимметричной антенны и с базовым облучателем. Несколько простых модификаций могут привести к коллинеару, с которым знакомо больше людей.
Это может сделать его очень полезной формой антенны для многих приложений двусторонней радиосвязи от такси, базовых станций аварийно-спасательных служб до радиолюбителей и их станций VHF UHF.
Очевидно, первое изменение направлено на вертикальную ориентацию антенны, но есть и другие изменения, позволяющие антенне работать требуемым образом.
Иногда для достижения одной и той же цели используются разные методы, но эти наиболее широко используются.
Первый заключается в замене четвертьволнового короткозамкнутого шлейфа на конце антенны четвертьволновым проводом. Это формирует верхнюю часть антенны и соединяется с внутренним или центральным проводником соседней коаксиальной секции. Он вообще не связан с внешним проводником.
Длина этого элемента может быть определена путем вычисления длины четверти длины волны сигнала на рабочей частоте в свободном пространстве с последующим добавлением небольшого поправочного коэффициента для так называемого конечного эффекта.
L1 = 300⋅106⋅A4f
Где:
L1 = длина верхней секции в четверть длины волны в метрах
f = частота в Гц
A = коэффициент конечного эффекта, часто от 0,95 до 0,98.
Примечание: в уравнении используется коэффициент 300 x 10 6 , поскольку это скорость света в свободном пространстве.
Количество половинных секций, включенных в основную секцию, зависит от допустимого размера антенны. Часто используется от двух до четырех, но некоторые антенны могут использовать гораздо больше.
Длина этих элементов представляет собой электрическую половину длины волны сигнала, проходящего по коаксиальному фидеру. Необходимо проверить коэффициент скорости используемого коаксиального кабеля, но часто он составляет около 0,66. Однако важно проверить это, так как это сильно влияет на длину, и если длина антенных элементов неверна, то антенна может быть безнадежно неправильной.
Длина этих полуволновых элементов рассчитывается по приведенной ниже формуле:
L2 = 300⋅106⋅V2f
Где:
L2 = длина участков полуволны в метрах
f = частота в Гц
V = коэффициент скорости коаксиального кабеля.
Примечание: при обрезке коаксиального кабеля по длине необходимо оставить немного больше для выполнения соединений на каждом конце.
Последняя секция антенны — нижняя. Это необходимо для преобразования высокого импеданса, наблюдаемого в конце нижней части полуволны, в импеданс, который обеспечивает подходящее согласование с 50 Ом.
Есть несколько способов сделать это, один из них – использовать четверть длины волны открытого провода ленточного питателя. Другие подходы, на которые можно подать в суд, часто встречаются с J-образной антенной, где для согласования с коаксиальным кабелем 50 Ом используется питающий/согласующий четвертьволновый шлейф.
Четверть длины волны действует как преобразователь, обеспечивающий преобразование высокого импеданса в низкий.
Принимая во внимание ввод с высоким импедансом и т. д., разумно убедиться, что он не проходит по внешней стороне коаксиального кабеля, и его целесообразно удалить. Одним из эффективных способов достижения этого является размещение нескольких подходящих ферритовых колец поверх коаксиального кабеля после того, как он вышел из трубки.
Коаксиальные коллинеарные антенны — это простой способ создания эффективной антенны ОВЧ или УВЧ. Их можно относительно легко построить из легкодоступных материалов и по сравнительно небольшой цене.
Конструкция коллинеарной антенны может быть хорошим проектом антенны для многих любителей, а для коммерческих установок широко доступны подходящие коллинеарные вертикальные антенны.
Другие темы об антеннах и распространении:
ЭМ волны
Распространение радио
Ионосферное распространение
Грунтовая волна
Разброс метеоров
Тропосферное распространение
Основы антенны
Кубический четырехугольник
Диполь
Отключить
Ферритовый стержень
Логопериодическая антенна
Антенна с параболическим отражателем
Антенны с фазированной решеткой
Вертикальные антенны
Яги
Заземление антенны
телевизионные антенны
Коаксиальный кабель
Волновод
КСВ
Антенные балуны
MIMO
Вернитесь в меню «Антенны и распространение». . .
Коллинеарная антенна » Примечания по электронике
Коллинеарные антенны обычно используются в качестве вертикальных антенн, обеспечивающих усиление в горизонтальной плоскости для обеспечения наилучшего кругового покрытия.
Антенны с фазированной решеткой включает:
Основы антенн с фазированной решеткой
Коллинеарная антенна
Коаксиальный коллинеарный
Антенны формирования луча и управления лучом
Коллинеарная антенна представляет собой форму антенны, которая обычно является вертикальной и состоит из ряда антенных элементов, часто диполей, установленных таким образом, что они находятся на общей оси – отсюда и название коллинеарная или коллинеарная.
На самом деле коллинеарная антенна — это антенна, в которой два или более элемента расположены на одной оси, и в некоторых случаях даже такие антенны, как 5/8λ или полуволновые вертикальные антенны, могут считаться коллинеарными, хотя этот термин обычно зарезервирован.
для антенн, в которых несколько определенных элементов расположены на одной оси.
. Отдельные элементы коллинеарной антенны питаются таким образом, что достигается диаграмма направленности. Обычно все элементы питаются так, что каждый элемент антенны излучает сигнал одной и той же фазы, и в результате максимальное излучение находится под прямым углом к оси антенны.
Поскольку антенна обеспечивает хорошую диаграмму направленности, ее часто используют для широковещательных передач или для двухточечной радиосвязной антенны, поскольку она способна обеспечивать всестороннее покрытие, а главный луч, параллельный поверхности земли, обеспечивает оптимальное покрытие. Обнаружено, что меньше сигнала излучается вверх, где он бесполезен.
В некоторых случаях основной луч может быть направлен немного вниз, чтобы получить локальное покрытие. Это может быть особенно важно для некоторых радиовещательных станций, антенны которых могут быть установлены высоко на вышке.
Типы коллинеарных антенн
Существует несколько способов реализации коллинеарных антенн. основная концепция коллинеарности может быть реализована различными способами в зависимости от того, что требуется.
Независимо от типа коллинеара, все они следуют одной и той же базовой концепции: излучающие элементы на одной оси подают соответствующий фазовый сигнал для получения требуемого.
Ниже подробно описаны основные типы коллинеарных антенн:
Коллинеарная дипольная решетка: Один из самых простых способов создания коллинеарной решетки — это размещение вертикальных дипольных элементов друг над другом. В коллинеарной антенне этого типа элементы питаются по отдельным фидерным линиям, но необходимо соблюдать осторожность при сокращении их длины, чтобы обеспечить требуемую фазировку для каждого диполя.
Хотя коллинеар чаще всего используется в качестве вертикальной антенны, это не всегда так — можно создать горизонтальные дипольные коллинеары, в которых используется несколько излучающих элементов половинной длины волны.
Он излучает аналогично стандартному горизонтальному диполю, но с гораздо более узкой шириной луча.Коаксиальная коллинеарная антенна: Коаксиальная коллинеарная антенна представляет собой удобную форму антенны, которую можно изготовить с использованием коаксиальных фидерных линий. Для этого типа антенны отдельные излучатели имеют центральный проводник одного элемента, электрически соединенного с экраном того, что находится выше, и так далее, если требуется столько элементов.
Верхний элемент в стеке представляет собой четвертьволновый излучатель, подключенный непосредственно к центральному проводнику элемента под ним.
Коллинеарная антенна этого типа часто размещается в трубке из стекловолокна, которая обеспечивает опору и структуру антенны, а также обеспечивает защиту от окружающей среды. Эти типы антенн часто изготавливаются с использованием коаксиального кабеля и поэтому очень важно следить за тем, чтобы в кабель не попадала влага, иначе вырастут потери и потеряется коэффициент усиления антенны и производительность может даже стать хуже, чем у простой антенны.
без выигрыша.Коллинеарная полуволновая несимметричная антенна: В этом типе коллинеарной антенной решетки используются полуволновые несимметричные элементы с фазирующими катушками между каждой последовательной парой элементов для достижения необходимого фазового сдвига.
Этот подход может быть менее эффективным, чем другие типы коллинеаров, поскольку катушки, используемые для фазирования, вносят потери. Однако для антенн этого типа не требуется внешняя защитная и поддерживающая трубка, необходимая для большинства коаксиальных коллинеаров. Этот тип коллинеара обычно используется только в радиолюбительских приложениях.
Он излучает аналогично стандартному горизонтальному диполю, но с гораздо более узкой шириной луча.
без выигрыша.Существует много других типов антенн, которые относятся к категории коллинеарных, но упомянутые выше являются основными типами. Они будут называться коллинеарными в описании или спецификации антенны.
Основы коллинеарной антенны
Коллинеарная антенна чаще всего встречается в наши дни как вертикальная антенна с несколькими элементами, расположенными друг над другом.
Однако его также можно использовать в качестве горизонтальной антенны — в широком смысле его можно рассматривать как направленную форму диполя.
Основная идея заключается в том, что сигнал поступает на несколько антенных элементов, расположенных вдоль одной оси. необходимо соблюдать осторожность, чтобы обеспечить правильную фазировку, и это обычно устроено так, что все элементы возбуждаются в одной и той же фазе.
На коллинеарной антенне максимальное излучение возникает там, где волновые фронты конструктивно объединяются.При синфазном питании всех излучающих элементов (обычно диполей и т. д.) волновые фронты, удаляющиеся от элементов антенны, будут объединяться и конструктивно усиливать друг друга под прямым углом к оси элементов.
Поскольку антенны обычно запитываются в фазе на коллинеаре, это будет означать, что все линии питания к отдельным элементам имеют одинаковую длину.
Поскольку все сигналы передаются от отдельных антенных элементов в одной и той же фазе, они будут конструктивно объединяться, когда волновой фронт уходит от антенны в направлении, перпендикулярном оси антенны.
Будет обнаружено, что по мере добавления дополнительных элементов проблемы с боковыми лепестками начнут расти, но обычно они не являются проблемой для основных типов применения этих антенн.
Коллинеарное усиление
Коэффициент усиления коллинеарной антенны зависит от многих факторов, но основным из них является количество элементов в антенне.
Можно рассчитать максимально возможное усиление для коллинеарных фазированных антенн для различного количества элементов.
| Коллинеарное усиление в зависимости от элементов | |
|---|---|
| Количество элементов | Максимальное теоретическое усиление (дБ) |
| 2 | 1,9 |
| 3 | 3,2 |
| 4 | 4,3 |
Примечание: коллинеарные фазированные антенны с более чем четырьмя элементами обычно не проектируются и не изготавливаются, поэтому приводятся уровни усиления для антенн с числом элементов до четырех.
