螺旋天线在业余无线电中的应用

螺旋天线在业余无线电中的应用2008-12-1017:30:02|分类：电子制作|标签：|字号大中小订阅任何依靠电磁波传送信息的无线电设备都需要天线。天线是一种转能器。当发射时，它把发射机的高频电流转换成空间电磁波。接收时，它又把从空间截获的电磁波转换成高频电流送入接收机。本文简单的介绍一下无线电收发装置中天线的原理与制作。鞭天线袖珍超短波无线电台，接收与发射共用一付天线。但考虑到使用环境的不同，一般该机都配有两种不同型式的天线供选用。一种是四分之一波长鞭天线，另一种是小型螺旋天线。四分之一波长鞭天线是一种由多节组成的普通拉杆天线。工作时拉开与发射机发出的高频电流产生谐振。理论上，谐振时鞭天线的长度应该是谐振频率相对应波长的四分之一。但是，由于电磁波在金属杆中的传播速度比在空气中稍小，电磁波在金属杆上传播的波长也相应稍短，故实际鞭天线的长度要比四分之一波长略短些。这个缩短系数与工作频率，金属杆直径有关。工作频率高，金属杆直径大，则缩短值也大。此拉杆天线平均直径是4.5厘米，缩短系数为0.97，取电台工作的中心频率四分之一波长乘以该缩短系数为实际天线长度。螺旋天线螺旋天线是一种新型的小型化通讯天线，它对于移动通讯中使用的袖珍无线电台特别适用。因长度为１米多的天线对袖珍机来说确实长了些，给使用者带来不便，尤其是在高压电线附近使用不够安全。为此专门为该机设计了总长度不到拉杆天线三分之一的小型螺旋天线。这种天线目前已开始在通讯及电视等方面获得应用。这里重点淡谈它的结构、工作原理、计算公式和制作方法。结构：把金属导线按一定的间距曲绕成螺旋形状，并用绝缘材料支杆沿螺旋的轴向方向把线圈支撑起来，螺旋的—端与发射机的输出端连接，另一端开路，就构成了螺旋天线。产品是用直径1.2毫米碳素钢丝，在普通车床上绕成平均直径为１厘米的螺旋若干圈，并用截面为梅花状的热成型聚丙烯芯杆支撵起来。螺旋外面用丁膳橡胶管密封以防雨水漫蚀。工作原理：小型螺旋天线是一个慢波系统。电磁波在螺旋轴向方向上的传播遗度ｕ比在空气中的速度（近似为光速Ｃ）小很多，所以波长也相应短很多，为了与工作频率对应的波长加以区别，把螺旋线中的波长叫做“导波长”。由图１可以说明其原理。现在可以粗略地认为电磁波是沿着金属螺旋线绕制方向近似以光速Ｃ传播的，当电磁波沿螺旋线绕一圈从ａ点到达ｂ点时，实际上电磁波在螺旋的轴向上只走了Ｓ的路程（螺距），把这一螺旋圈在平面上展开成直角三角形，则斜边代表电磁波沿螺旋线的传播速度Ｃ，短直角边代表电磁波沿螺旋轴向的传播速度ｕ。由直角三角形的几何关系式ｕ＝Ｃ·ｓｉｎψ可知（ψ角是螺旋切线与水平线的夹角），因ｓｉｎψ〈１，所以总有ｕ小于光速Ｃ，故螺旋线是个慢波系统，它可以把电磁波的传播速度减慢。若把螺旋天线也做成谐振在四分之一波长的天线，那么它应是谐振在四分之一的“导波长”上，因而螺旋天线的几何长度计算公式：螺旋天线的长度等于四分之一“导波长”。“导波长”与螺旋直径Ｄ、螺距Ｓ、工作频率ｆ有关。它们之间有着很复杂的数学关系，若螺旋天线ｈ》Ｄ，同时Ｄ又比工作波长小很多，则可按下面的近似公式进行计算：计算时应根据使用条件，选定螺旋宜径Ｄ、长度ｈ（以米为单位），工作频率ｆ由中心频率决定（以‘兆赫’为单位），根据上式计算出对应的螺旋圈数Ｎ，当然选定的ｈ要比Ｄ大很多（１０倍以上），绕制螺旋所用金属导线的长度可按下式计算：ｌ＝Ｎ·πＤ(２)例如一袖珍机中心工作频率取为72.7ＭＨｚ，螺旋平掏直径Ｄ＝1ｃｍ，希望天线尺寸不超过２５ｃｍ，则按（１）式计算总圈数为79.2圈，按（２）式计算所用导线长度约2.5米。业余制作与上述袖珍无线电台配用的鞭天线可用壁厚为0.2毫米的薄铜管自制，管的外径在５～７毫米为宜，长度１米。若外径粗些，其长度可略短２～３厘米。铜管的一头与发射机输出端连接，可在此头钻一直径２毫米的小孔，从中引出焊线与发射机相连，铜管的另一端可用口径大小相仿的塑料牙膏加盖封住，若有长度相当的拉杆天线，就可以代用。若拉杆天线的外径粗，天线长度还可以稍短一些，若实在没有条件，可以用长度为1.05米的塑料皮导线来代替鞭天线。螺旋天线的制作：螺旋线可用宜径0.8～1.5ｍｍ的漆包线绕制。漆包线的粗细对螺旋天线的性能影响不大，螺旋之间由于电压不高，一般用低强度油基性漆包线即可。需注意的是，螺旋之间的间距应保持一致并等于设计值。当工作频率为72.7ＭＨｚ时，螺距Ｓ为３毫米，共绕80圈。绕制时，可先在一根直径为９毫米左右的金属杆上以间距为2.5毫米绕85圈，绕好后考虑螺旋线的回弹，基本上可以满足中心距离为３毫米的要求，再把多余的圈数剪掉。绕好的螺旋线用绝缘支撵棒撵住，如环氧棒、有机玻璃棒、空心电工塑科管或细竹杆等。螺旋线还可用直径相仿的铝丝绕制，不过铝丝较铜丝硬，回弹也大，开始绕制时，中心距宜取得更小些，如2.2毫米左右，绕好后通过整形达到３毫米，把最上面半圈螺旋旋向圆心处弯拆，靠支撑棒顶住，见图２。能用热塑套管或薄橡皮套管把制作好的天线套起来更好，以防螺旋线受外力而变形。螺旋天线应与整机匹配地工作，让能量全部发射出去，或把接收到的能量全部送进接收机。鞭天线和螺旋天线部有一定的方向性，即在某几个方向上能量最为集中，接收或发射的效果最好。所以在使用时，可旋转一下天线以获得最佳通讯效果。实际通话效果表明，该机配用１米长鞭天线时可在５公里平地范围内可靠通话，在配螺旋天线时通话距离为３～４公里。接上述原理及计算公式也可以绘出工作在其它频率上的无线电遥测、遥控收发设备的天线参数。原则上也可以用于电视、调频广播接收等无线电装置上。谈谈螺旋天线任何依靠电磁波传送信息的无线电设备都需要天线。天线是一种转能器。当发射时，它把发射机的高频电流转换成空间电磁波。接收时，它又把从空间截获的电磁波转换成高频电流送入接收机。本文简单的介绍一下无线电收发装置中天线的原理与制作。鞭天线袖珍超短波无线电台，接收与发射共用一付天线。但考虑到使用环境的不同，一般该机都配有两种不同型式的天线供选用。一种是四分之一波长鞭天线，另一种是小型螺旋天线。四分之一波长鞭天线是一种由多节组成的普通拉杆夭线。工作时拉开与发射机发出的高频电流产生谐振。理论上，谐振时鞭天线的长度应该是谐振频率相对应波长的四分之一。但是，由于电磁波在金属杆中的传播速度比在空气中稍小，电磁波在金属杆上传播的波长也相应稍短，故实际鞭天线的长度要比四分之一波长略短些。这个缩短系数与工作频率，金属杆直径有关。工作频率高，金属杆直径大，则缩短值也大。此拉杆天线平均直径是４．５厘米，缩短系数为０．９７，取电台工作的中心频率四分之一波长乘以该缩短系数为实际天线长度。螺旋天线螺旋天线是一种新型的小型化通讯天线，它对于移动通讯中使用的袖珍无线电台特别适用。因长度为１米多的天线对袖珍机来说确实长了些，给使用者带来不便，尤其是在高压电线附近使用不够安全。为此专门为该机设计了总长度不到拉杆天线三分之一的小型螺旋天线。这种天线目前已开始在通讯及电视等方面获得应用。这里重点淡谈它的结构、工作原理、计算公式和制作方法。结构：把金属导线按一定的间距曲绕成螺旋形状，并用绝缘材料支杆沿螺旋的轴向方向把线圈支撑起来，螺旋的—端与发射机的输出端连接，另一端开路，就构成了螺旋天线。产品是用直径１．２毫米碳素钢丝，在普通车床上绕成平均直径为１厘米的螺旋若干圈，并用截面为梅花状的热成型聚丙烯芯杆支撵起来。螺旋外面用丁膳橡胶管密封以防雨水漫蚀。工作原理：小型螺旋天线是一个慢波系统。电磁波在螺旋轴向方向上的传播遗度ｕ比在空气中的速度（近似为光速Ｃ）小很多，所以波长也相应短很多，为了与工作频率对应的波长加以区别，把螺旋线中的波长叫做“导波长”。由图１可以说明其原理。现在可以粗略地认为电磁波是沿着金属螺旋线绕制方向近似以光速Ｃ传播的，当电磁波沿螺旋线绕一圈从ａ点到达ｂ点时，实际上电磁波在螺旋的轴向上只走了Ｓ的路程（螺距），把这一螺旋圈在平面上展开成直角三角形，则斜边代表电磁波沿螺旋线的传播速度Ｃ，短直角边代表电磁波沿螺旋轴向的传播速度ｕ。由直角三角形的几何关系式ｕ＝Ｃ·ｓｉｎψ可知（ψ角是螺旋切线与水平线的夹角），因ｓｉｎψ〈１，所以总有ｕ小于光速Ｃ，故螺旋线是个慢波系统，它可以把电磁波的传播速度减慢。若把螺旋天线也做成谐振在四分之一波长的天线，那么它应是谐振在四分之一的“导波长”上，因而螺旋天线的几何长度可以比拉杆天线短很多。计算公式：螺旋天线的长度等于四分之一“导波长”。“导波长”与螺旋直径Ｄ、螺距Ｓ、工作频率ｆ有关。它们之间有着很复杂的数学关系，若螺旋天线ｈ》Ｄ，同时Ｄ又比工作波长小很多，则可按下面的近似公式进行计算：计算时应根据使用条件，选定螺旋宜径Ｄ、长度ｈ（以米为单位），工作频率ｆ由中心频率决定（以‘兆赫’为单位），根据上式计算出对应的螺旋圈数Ｎ，当然选定的ｈ要比Ｄ大很多（１０倍以上），绕制螺旋所用金属导线的长度可按下式计算：ｌ＝Ｎ·πＤ(２)例如一袖珍机中心工作频率取为７２．７ＭＨｚ，螺旋平掏直径Ｄ＝１ｃｍ，希望天线尺寸不超过２５ｃｍ，则按（１）式计算总圈数为７９．２圈，按（２）式计算所用导线长度约２．５米。业余制作与上述袖珍无线电台配用的鞭天线可用壁厚为０．２毫米的薄铜管自制，管的外径在５～７毫米为宜，长度１米。若外径粗些，其长度可略短２～３厘米。铜管的一头与发射机输出端连接，可在此头钻一直径２毫米的小孔，从中引出焊线与发射机相连，铜管的另一端可用口径大小相仿的塑料牙膏加盖封住，若有长度相当的拉杆天线，就可以代用。若拉杆天线的外径粗，天线长度还可以稍短一些，若实在没有条件，可以用长度为１．０５米的塑料皮导线来代替鞭天线。螺旋天线的制作：螺旋线可用宜径０．８～１．５ｍｍ的漆包线绕制。漆包线的粗细对螺旋天线的性能影响不大，螺旋之间由于电压不高，一般用低强度油基性漆包线即可。需注意的是，螺旋之间的间距应保持一致并等于设计值。当工作频率为７２．７ＭＨｚ时，螺距Ｓ为３毫米，共绕８０圈。绕制时，可先在一根直径为９毫米左右的金属杆上以间距为２．５毫米绕８５圈，绕好后考虑螺旋线的回弹，基本上可以满足中心距离为３毫米的要求，再把多余的圈数剪掉。绕好的螺旋线用绝缘支撵棒撵住，如环氧棒、有机玻璃棒、空心电工塑科管或细竹杆等。螺旋线还可用直径相仿的铝丝绕制，不过铝丝较铜丝硬，回弹也大，开始绕制时，中心距宜取得更小些，如２．２毫米左右，绕好后通过整形达到３毫米，把最上面半圈螺旋旋向圆心处弯拆，靠支撑棒顶住，见图２。能用热塑套管或薄橡皮套管把制作好的天线套起来更好，以防螺旋线受外力而变形。螺旋天线应与整机匹配地工作，让能量全部发射出去，或把接收到的能量全部送进接收机。鞭天线和螺旋天线部有一定的方向性，即在某几个方向上能量最为集中，接收或发射的效果最好。所以在使用时，可旋转一下天线以获得最佳通讯效果。实际通话效果表明，该机配用１米长鞭天线时可在５公里平地范围内可靠通话，在配螺旋夭线时通话距离为３～４公里。接上述原理及计算公式也可以绘出工作在其它频率上的无线电遥测、遥控收发设备的天线参数。原则上也可以用于电视、调频广播接收等无线电装置上螺旋天线的制作参数我在论坛上混了一段时间了，到目前仍然没有作为，惭愧呀，由于兴趣所在，我找了天线原理书籍，其中介绍的螺旋天线有明确的参数和方法，这里我就把书中的内容简单转述一下吧。（高手就绕过吧）首先了解一些基础部分：1、我们的WLAN所使用的2.4GHz电磁波是行波，即电磁波的电场和磁场两者都与电波的传播方向相垂直。2、我们的天线主要是利用电磁波中的电场分量来负载信息的正题：螺旋天线的制作参数我们制作螺旋天线是将铜丝绕着圆管一圈圈斜向上绕，角度绕过360度时算作是一圈，绕这一圈所使用的一匝铜线长度记为L，把上下相邻两圈的间距记作S，铜线形成的螺圈的实际半径记为R（就是PVC管的半径+铜线的横切面半径)，用这个半径R算出来的圆周长记为O.（有些符合不知如何输入，我只好用文字，锻炼大家的理解和想象能力了）L:螺线旋转一圈的长度，；S:上下相邻两个螺圈的距离R:螺圈的半径（PVC管的半径+铜线