Как рассчитать длину антенны
Перейти к содержимому

Как рассчитать длину антенны

  • автор:

Как рассчитывается длина антенны?

Антенна влияет на качество радиосигнала и при его приёме, и при передаче. Существуют различные виды антенн: направленные и ненаправленные, имеют разную поляризацию. Но есть и общие для всех антенн элементы – излучающая часть и снижение (то, чем её подключают к устройству). И их нужно рассчитать.

Необходимо: — параметры устройства, к которому вы будете подключать антенну; — калькулятор.

Определитесь с видом вашей будущей антенны: симметричная или в форме луча. На разные типы антенн сигнал подаётся по-разному. В случае, когда у антенны цепь приёмника или передатчика индуктивная связь с контуром, то лучше воспользоваться схемой симметричного питания при помощи двухпроводной линии от 200 и до 700 Ом. Антенна тина 2луч» с однопроводной линией подойдёт для работы с детекторными приёмниками, входными устройствами с заземлённой сеткой или базой и для передатчиков с П-контуром на выходе.

Чаще всего встречаются антенны типа симметричный вибратор. Это провод, длинна которого равняется половине длины волны излучаемого сигнала. Длина же каждого плеча равна четверти волны. У прибора, который работает в диапазоне УКВ, эти элементы имеют вид труб и стержней.

Произведите расчёт длины волны. Она равна скорости света, поделённой на частоту. Единицы измерения скорости света – метры в секунде, а частоты – Герцы. Учтите поправку на то, что в металле скорость света ниже, нежели в воздухе или вакууме. За счёт этого антенну необходимо сделать чуть короче. С учётом этой погрешности, длина полуволнового вибратора на самом деле составит не ½ длины волны, а около 0, 475.

Приступите к подаче сигнала на антенну-«луч». Отступите от одного конца провода 0,171 длины волны. Подсоедините в этом месте к антенне однопроводную линию, она должна быть перпендикулярна к проводу-вибратору на расстоянии 0,15 длины волны. Теперь однопроводную линию возможно изогнуть в любую сторону.

Другой способ подключения требуется для симметричных антенн. Общая длина вибратора прежняя. Найдите середину провода и отметьте её. Далее, отмерьте участок в 0,13 длины волны так, чтобы его конечные точки оказались симметричны серединной отметке. И припаяйте к этим отметкам провода, которые припаиваются к кабелю питания в виде двухпроводной линии на расстоянии 0,15 от длины волны провода-вибратора. Данная линия подключается к радиоустройству.

У обоих видов антенн параметры приблизительно равны. Выберите один вид подключения, взяв во внимание согласование приёмо-передающей аппаратуры с антенным контуром.

Помните, что монтаж антенны проводят на диэлектрических изоляторах. Как правило, они фарфоровые, стеклянные или пластмассовые. Расчёт и измерение антенны необходимо производить, учитывая концы, смонтированные на изоляторах. Полуволновой вибратор возможно располагать как горизонтально, так и вертикально.

Полезный совет. Вертикальная (или штыревая) антенна — это разновидность полуволнового вибратора. Её питание производится при помощи коаксиального кабеля с сопротивлением 50-75 Ом. В такой ситуации жила кабеля соединяется с окончанием вибратора (штыря), а оплётка кабеля должна быть заземлена или получена к противовесу. Противовесом может выступить железная крыша здания или антенная мачта, которая изготовляется из металлической трубы.

Как рассчитать длину дипольной антенны: расчет и формула

Ты действительно знаете, как рассчитать длину антенны? Вот Примечания и детали от FMUSER о расчете длины дипольной антенны и формуле для полуволнового диполя.

Длина диполя является основным фактором при определении его рабочей частоты, и, как следствие, расчет длины является ключевым элементом проектирования и установки любой дипольной антенны, будь то для ВЧ, ОВЧ или УВЧ и т. Д.

Большинство дипольных антенн имеют длину в половину длины волны, и, следовательно, часто необходимо рассчитать физическую длину дипольной антенны на половину длины волны.

Однако физическая длина диполя не совпадает с длиной электрической волны в свободном пространстве — она ​​немного короче, и часто необходимо рассчитать длину диполя как можно лучше.

Сигналы тока и напряжения на полуволновом диполе, показывающие необходимость расчета длины антенны

Изменение длины диполя от длины свободного пространства
Хотя антенна может иметь электрическую половину длины волны или кратную половине длины волны, эта физическая длина не совсем равна длине волны для сигнала, распространяющегося в свободном пространстве.

Для этого есть несколько причин, и это означает, что антенна будет немного короче, чем длина, рассчитанная для волны, распространяющейся в свободном пространстве, в результате того, что слегка называют «эффектом конца».

Конечный эффект обусловлен тем фактом, что антенна обычно работает в окружении воздуха, а сигнал распространяется по проводнику конечной длины. Более конкретно, конечный эффект антенны является результатом уменьшения индуктивности и увеличения емкости по направлению к концу антенного проводника. Это служит для эффективного удлинения антенны.

Обнаружено, что конечный эффект антенны увеличивается с частотой, а также варьируется в зависимости от установки. Диаметр проволоки также оказывает на это заметное влияние, как показано на рисунке.

Для полуволнового диполя рассчитывается длина волны, распространяющейся в свободном пространстве, и она умножается на коэффициент «А». Обычно оно составляет от 0.96 до 0.98 и в основном зависит от отношения длины антенны к толщине провода или трубки, используемой в качестве элемента. Его значение можно аппроксимировать из графика:

Фактор А, используемый для расчета длины диполя

Коэффициент умножения «А», используемый для расчета длины диполя

В качестве дополнительного усложнения опорные изоляторы, системы питания и другие окружающие объекты, такие как земля, здания, деревья и т. Д., Оказывают заметное влияние на электрическую длину. Это может даже превышать изменение длины, вызванное практическими изменениями диаметра проводника.

Это делает точный расчет длины трудным, если не невозможным, в практических условиях. Соответственно, обычной практикой является определение наиболее вероятной длины антенны, обрезка ее немного дольше, чем ожидается, а затем экспериментальная проверка характеристик антенны, при необходимости изменяя физическую длину.

Формула длины диполя

Довольно просто вычислить длину полуволнового диполя, используя простые формулы, приведенные ниже. Для расчета длины даны две версии: одна для длины в метрах, а другая для длины в дюймах.

Часто формула длины диполя в футах рассматривается как 468 / частота. Это можно получить, взяв значение 492, показанное в приведенной выше формуле, и умножив его на типичный коэффициент А или конечного эффекта 0.95. Фактическое полученное значение — 467.48, но это достаточно близко для большинства приложений, особенно потому, что другие факторы, включая близлежащие объекты и т. Д., Оказывают значительное влияние на длину.

Расчеты по этим формулам дают хорошую отправную точку для определения длины дипольной антенны. Однако такие факторы, как близость земли и других близлежащих объектов, как упоминалось выше, также оказывают значительное влияние на длину, и определить их заранее непросто.

Соответственно, всегда лучше сделать любую антенну-прототип немного длиннее, чем могут показать расчеты, а затем укоротить антенну, каждый раз измеряя ее характеристики. Таким образом, оптимальные характеристики могут быть получены для этой антенны.

Лучше всего подрезать длину антенны небольшими шагами, потому что провод или трубка не могут быть заменены очень легко после их удаления.

Программы компьютерного моделирования обычно способны очень точно рассчитать длину диполя, при условии, что все переменные и элементы, которые влияют на работу диполя, могут быть введены точно, чтобы моделирование было реалистичным и, следовательно, точным.

Основной проблемой, как правило, является возможность точного ввода реальных данных об окружающей среде, чтобы можно было провести реалистичное моделирование.

Длина антенны для популярных радиолюбителей
Дипольные антенны используются во многих областях и приложениях. Одна из основных областей, где требуются домашние антенны, находится внутри радиолюбителя. Проводные дипольные антенны часто конструируются и устанавливаются, чтобы обеспечить антенну для определенной полосы или иногда полос.

Чтобы иметь представление о длинах, необходимых для полуволновых диполей, широко используемые длины приведены в таблице.

Эти длины широко используются в качестве основы для дипольной антенны с ветчиной. Как уже упоминалось, влияние земли / высоты, а также близлежащих объектов может изменить требуемую естественную резонансную длину, поэтому обычно требуется небольшой эксперимент.

В теории относительно легко рассчитать длину антенны. На практике многие другие факторы оказывают большое влияние на длину. Многие программы проектирования антенн помогут уменьшить ошибки, но на практике сложно предсказать влияние зданий, деревьев и общей топологии Земли, и поэтому эти факторы будут влиять на антенну. Всегда лучше рассчитать длину диполя как можно лучше и десять отрегулировать для оптимальной производительности на месте.

Если вы хотите приобрести какие-либо живые потоковые наборы или FM / TV оборудование Пожалуйста, не стесняйтесь связаться с нами по электронной почте: [электронная почта защищена].

Вам также может понравиться

На какой диапазон эта антенна? Измеряем характеристики антенн с помощью OSA103 Mini

— На какой диапазон эта антенна?
— Не знаю, проверь.
— КАААК.

Как определить, что за антенна у вас в руках, если на ней нет маркировки? Как понять, какая антенна лучше или хуже? Эта проблема меня мучила давно.
В статье простым языком описывается методика измерения характеристик антенн, и способ определения частотного диапазона антенны.

Опытным радиоинженерам эта информация может показаться банальной, а методика измерения — недостаточно точной. Статья рассчитана на тех, кто вообще ничего не понимает в радиоэлектронике, как я.

TL;DR Мы будем измерять КСВ антенн на различных частотах с помощью прибора OSA 103 Mini и направленного ответвителя, строить график зависимости КСВ от частоты.

Теория

Когда передатчик посылает сигнал в антенну, часть энергии излучается в воздух, а часть отражается и возвращается назад. Соотношение между излучаемой и отраженной энергией характеризуют с помощью коэффициента стоячей волны (КСВ или SWR). Чем меньше КСВ, тем большая часть энергии передатчика излучается в виде радиоволн. При КСВ = 1 отражения нет (вся энергия излучается). КСВ у реальной антенны всегда больше 1.

Если посылать в антенну сигнал разной частоты и одновременно измерять КСВ, можно найти, на какой частоте отражение будет минимальным. Это и будет рабочий диапазон антенны. Также можно сравнить между собой разные антенны для одного диапазона и найти, какая из них лучше.

Часть сигнала передатчика отражается от антенны

Антенна, рассчитанная на определенную частоту, в теории, должна иметь наименьший КСВ на своих рабочих частотах. Значит достаточно поизлучать в антенну разными частотами и найти, на какой частоте отражение наименьшее, то есть максимальное количество энергии улетело в виде радиоволн.

Имея возможность генерировать сигнал на разных частотах и измерять отражение, мы сможем построить график, у которого по оси X будет частота, а по оси Y — коэффициент отражения сигнала. В результате там, где на графике будет провал (то есть наименьшее отражение сигнала), будет рабочий диапазон антенны.

Воображаемый график зависимости отражения от частоты. На всем диапазоне отражение 100%, кроме рабочей частоты антенны.

Прибор Osa103 Mini

Для измерений мы будем использовать OSA103 Mini. Это универсальный измерительный прибор, который объединяет осциллограф, генератор сигнала, анализатор спектра, измеритель АЧХ/ФЧХ, векторный антенный анализатор, измеритель LC, и даже SDR-трансивер. Рабочий диапазон OSA103 Mini ограничен 100 МГц, модуль OSA-6G расширяет частотный диапазон в режиме ИАЧХ до 6 ГГц. Родная программа со всеми функциями весит 3 Мб, работает под Windows и через wine в Linux.

Osa103 Mini — универсальный измерительный прибор для радиолюбителей и инженеров

Направленный ответвитель

Направленный ответвитель (directional coupler) — устройство, которое отводит небольшую часть ВЧ-сигнала, идущего в определенном направлении. В нашем случае он должен ответвлять часть отражённого сигнала (идущего от антенны назад в генератор) для его измерения.
Наглядное объяснение работы направленного ответвителя: youtube.com/watch?v=iBK9ZIx9YaY

Основные характеристики направленного ответвителя:

  • Рабочие частоты — диапазон частот, на которых основные показатели не выходят за пределы нормы. Мой ответвитель рассчитан на частоты от 1 до 1000 МГц
  • Ответвление (Coupling) — какая часть сигнала (в децибелах) будет отводится при направлении волны из IN в OUT
  • Направленность (Directivity) — насколько меньше сигнала будет отводится при движении сигнала в обратном направлении из OUT в IN

При движении воды в обратном направлении отводится значительно меньше воды. Ее следует воспринимать как побочное явление. Количество воды, которое отводится при этом движении, определяется параметром Directivity в даташите. Чем этот параметр меньше (больше значение dB), тем лучше для нашей задачи.

Принципиальная схема

Так как мы хотим измерять уровень сигнала, отраженный от антенны, подключаем ее к IN ответвителя, а генератор к OUT. Таким образом на приёмник попадёт часть отражённого от антенны сигнала для измерения.

Схема подключения ответвителя. Отраженный сигнал отводится на приемник

Измерительная установка

Соберём установку для измерения КСВ в соответствии с принципиальной схемой. На выходе генератора прибора дополнительно установим аттенюатор с затуханием 15 дБ. Это улучшит согласование ответвителя с выходом генератора и повысит точность измерения. Аттенюатор можно взять с затуханием в 5..15 дБ. Величина затухания автоматически учтётся при последующей калибровке.

Аттенюатор ослабляет сигнал на фиксированное число децибел. Главной характеристикой аттенюатора является коэффициент затухания (аттенюации) сигнала и рабочий диапазон частот. На частотах вне рабочего диапазона характеристики аттенюатора могут непредсказуемо изменяться.

Так выглядит финальная установка. Нужно также не забыть подать сигнал промежуточной частоты (ПЧ) с модуля OSA-6G на основную плату прибора. Для этого соединяем порт IF OUTPUT на основной плате с INPUT на модуле OSA-6G.

Для снижения уровня помех от импульсного источника питания ноутбука все замеры я провожу при питании ноутбука от батареи.

Калибровка

Перед началом измерений необходимо убедиться в исправности всех узлов прибора и качестве кабелей, для этого соединяем генератор и приемник кабелем напрямую, включаем генератор и проводим измерение АЧХ. Получаем почти ровный график на 0dB. Это значит, что на всем диапазоне частот вся излучаемая мощность генератора дошла до приемника.

Подключение генератора напрямую к приемнику

Добавим в схему аттенюатор. Видно почти ровное ослабление сигнала на 15dB на всем диапазоне.

Подключение генератора через аттенюатор на 15dB к приемнику

Подключим генератор к разъему OUT ответвителя, а приемник к CPL ответвителя. Так как к порту IN не подключено нагрузки, весь генерируемый сигнал должен отражаться, и часть ответвляться на приемник. Согласно даташиту на наш ответвитель (ZEDC-15-2B), параметр Coupling равен ~15db, значит мы должны увидеть горизонтальную линию на уровне около -30 дБ (coupling + затухание аттенюатора). Но так как рабочий диапазон ответвителя ограничен 1 ГГц, все измерения выше этой частоты можно считать не имеющими смысла. Это отчетливо видно на графике, после 1 ГГц показания хаотичны и не имеют смысла. Поэтому все дальнейшие измерения мы будем проводить в рабочем диапазоне ответвителя.

Подключение ответвителя без нагрузки. Виден предел рабочего диапазона ответвителя.

Так как данные измерений выше 1 ГГц, в нашем случае, не имеют смысла, ограничим максимальную частоту генератора до рабочих значений ответвителя. При замерах получаем ровную линию.

Ограничение диапазона генератора до рабочего диапазона ответвителя

Для того, чтобы наглядно измерять КСВ антенн, нам нужно выполнить калибровку, чтобы принять текущие параметры схемы (100% отражение) как точку отсчета, то есть ноль dB. Для этого в программе OSA103 Mini есть встроенная функция калибровки. Калибровка выполняется без подключенной антенны (нагрузки), данные калибровки записываются в файл и в дальнейшем автоматически учитываются при построении графиков.

Функция калибровки ИАЧХ в программе OSA103 Mini

Применив результаты калибровки и запустив измерения без нагрузки, мы получаем ровный график на 0dB.

График после выполнения калибровки

Измеряем антенны

Теперь можно приступить к измерению антенн. Благодаря калибровке, мы будем видеть и измерять уменьшение отражения после подключения антенны.

Антенна с Aliexpress на 433MHz

Антенна с маркировкой 443MHz. Видно, что наиболее эффективно антенна работает на диапазоне 446MHz, на этой частоте КСВ равно 1.16. При этом, на заявленной частоте показатели существенно хуже, на 433MHz КСВ 4,2.

Неизвестная антенна 1

Антенна без маркировки. Судя по графику, рассчитана на 800 МГц, предположительно для GSM-диапазона. Справедливости ради нужно сказать, что эта антенна также работает на 1800 МГц, но из-за ограничений ответвителя я не могу делать корректные замеры на этих частотах.

Неизвестная антенна 2

Еще одна антенна, которая давно валяется у меня в коробках. Судя по всему, тоже для GSM-диапазона, но уже лучше предыдущей. На частоте 764 МГц КСВ близок к единице, на 900 МГц КСВ — 1.4.

Неизвестная антенна 3

Это похоже на антенну Wi-Fi, но коннектор почему-то SMA-Male, а не RP-SMA, как у всех Wi-Fi-антенн. Судя по измерениям, на частотах до 1 ГГц эта антенна бесполезна. Опять же, из-за ограничений ответвителя мы не узнаем, что это за антенна.

Телескопическая антенна

Попробуем рассчитать, на сколько нужно выдвинуть телескопическую антенну для диапазона 433MHz. Формула расчета длины волны: λ = C/f, где C — скорость света, f — частота.

299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279 

Полная длина волны — 69,24 см
Половина длины волны — 34,62 см
Четверть длины волны — 17,31 см

Рассчитанная таким образом антенна оказалась абсолютно бесполезна. На частоте 433MHz значение КСВ — 11.

Экспериментально выдвигая антенну, мне удалось добиться минимального КСВ 2.8 при длине антенны около 50 см. При этом оказалось, что толщина секций имеет большое значение. То есть, при выдвигании только тонких крайних секций, результат был лучше, чем при выдвигании на ту же длину только толстых секций. Не знаю, насколько впредь стоит полагаться на эти расчеты с длиной телескопической антенны, потому что на практике они не работают. Может быть с другими антеннами или частотами это работает иначе, не знаю.

Кусок провода на 433MHz

Часто во разных приборах, вроде радиовыключателей, можно видеть кусок прямого провода в качестве антенны. Я отрезал кусок провода, равного четверти длины волны 433 МГц (17,3см), и залудил конец так, чтобы он плотно вставлялся в разъем SMA Female.

Результат получился странный: такой провод неплохо работает на 360 МГц но бесполезен на 433 МГц.

Я начал по кусочку обрезать провод с конца и смотреть на показания. Провал на графике начал медленно сдвигаться в вправо, в сторону 433 МГц. В итоге, на длине провода около 15,5 см, мне удалось получить наименьшее значение КСВ 1.8 на частоте 438 МГц. Дальнейшее укорачивание кабеля привело к росту КСВ.

Заключение

Из-за ограничений ответвителя не удалось измерять антенны на диапазоны выше 1 ГГц, например, антенны Wi-Fi. Это можно было сделать, будь у меня более широкополосный ответвитель.

Ответвитель, соединительные кабели, прибор и даже ноутбук – это части получающейся антенной системы. Их геометрия, положение в пространстве и окружающие предметы влияют на результат измерения. После установки на реальную радиостанцию или модем, частота может сдвинуться, т.к. корпус радиостанции, модема, тело оператора станут частью антенны.

OSA103 Mini — очень крутой многофункциональный прибор. Выражаю благодарность его разработчику за консультацию при проведении замеров.

  • osa103 mini
  • SWR
  • КСВ
  • частотный анализатор
  • аттенюатор
  • направленный ответвитель

Калькулятор для диполя и штыря

Онлайн расчет параметров диполя и штыря. Калькулятор параметров диполя и штыря представляет собой удобный инструмент для инженеров и радиолюбителей, позволяющий провести точные расчеты для создания эффективных антенн.

Пожалуйста напишите с чем связна такая низкая оценка:

Для установки калькулятора на iPhone — просто добавьте страницу
«На главный экран»

Для установки калькулятора на Android — просто добавьте страницу
«На главный экран»

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *