Изготовление спиральной антенны для беспроводных сетей диапазона 2.4 ГГц
Спиральную антенну, изобретенную в конце сороковых Джоном Краусом (John Kraus, W8JK), можно назвать самой простой реализацией антенны, которую можно представить, в особенности для частот в диапазоне 2-5 ГГц. Эта конструкция является очень простой, практичной и при этом надежной. Эта статья описывает, как самостоятельно сделать спиральную антенну для частот в районе 2.4 ГГц которая может быть использована, например, для высокоскоростных радиочастотных (S5-PSK, 1.288 Мбит/сек), 2.4 ГГц беспроводных сетей и любительских спутниковых (AO40). Развитие оборудования безпроводных сетей позволяет легко получить высокоскоростной радиодоступ с использованием стандарта IEEE 802.11b (также известного как Wi-Fi).
Краткий обзор теории
Спиральная антенна может быть описана как пружина с количеством витков N с отражателем. Окружность (C) витка составляет приблизительно длину волны (l), а дистанция (d) между витками составляет приблизительно 0.25C. Размер отражателя (R) составляет C или l и может иметь форму круга или квадрата. Конструкция излучающего элемента вызывает круговую поляризацию (КП), которая может быть как право-, так и левосторонней (П и Л соответственно), в зависимости от того, как намотана спираль. Для того, чтобы передать максимум энергии, обе стороны соединения должны иметь одинаковую направленность поляризации, кроме случаев, когда используется пассивный отражатель радиоволн на пути передачи сигнала.
Усиление (G) антенны относительно изотропии (dBi) может быть расчитана по следующей формуле:
G = 11.8 + 10 * log {(C/l)^2 * N * d} dBi (1)
В соответствии с выводами Др. Даррела Эмерсона (Dr. Darrel Emerson, AA7FV) из Национальной Радиоастрономической Обсерватории, результат вычисления по формуле [1], также известной как формула Крауса (Kraus formula), 4-5 dB слишком оптимистичен. Др. Рей Кросс (Dr. Ray Cross, WK0O) проанализировал результаты исследования Эмерсона в программе анализа антенн ASAP.
Характеристика полного сопротивления (импенданса) (Z) полученной передающей линии эмпирически должна описываться формулой
Z = 140 * (C/l) Ohm (2)
Реализация для частоты 2.43 ГГц (aka S-band, ISM band, 13 cm amateur band)
l = (0.3/2.43) = 0.1234567 m (12.34 cm) (3)
Диаметр витка (D) = (l/pi) = 39.3 mm (4)
Стандартная канализационная пластиковая труба с внешним диаметром 40 мм является для нас превосходным решением и легкодоступна в магазинах "Сделай сам" или у любого сантехника 
Спираль может быть намотана из стандартного медного провода, который применяется в домашнем хозяйстве для цепей 220 В переменного тока. Этот провод имеет цветную поливинилхлоридную изоляцию и медный сердечник диаметром 1.5 мм. Обмотка проводом трубы даст результирующий диаметр D = 42 мм благодаря толщине изоляции.
D = 42 mm, C = 42*pi = 132 mm (which is 1.07 l) (5)
d = 0.25C = 0.25*132 = 33 mm (6)
Для дистанций от 100 м до 2.5 км в пределах прямой видимости, 12 витков (N = 12) достаточно. Следовательно, длина трубы будет около 40 см (3.24 l). Обмотайте провод вокруг трубы и приклейте его поливинилхлоридным или любым другим, содержащим тетрагидрофуран (THF), клеем. Это даст очень прочную намотку вокруг трубы, как показано на рисунке 1 ниже.
Рисунок 1. Использованные материалы с размерами.
Сопротивление антенны:
Z = 140 * (C/l) = 140*{(42*pi)/123.4} = 150 Ом (7)
требует соответствия сети для использования стандартного 50 Ом UHF/SHF коаксиала и коннекторов.
Обычно используется заглушка в 1/4 волны с сопротивлением (Zs)
Zs = sqrt(Z1*Z2) = sqrt(50*150) = 87 Ом (8)
Из-за спиральной конструкции это соответствует 1/4 витка. Однако, с точки зрения механики, учитывая то, что необходимо позаботиться о водонепроницаемости, если антенна используется на открытом воздухе, есть более предпочтительные методы достижения сопротивления спиралью сопротивления в 50 Ом. Первой мыслью было эмпирически увеличить d для первого и второго витка и добиться нужного значения методом проб и ошибок, измеряя результат при помощи направленного блока сопряжения и генератора сигнала. После недолгих поисков в интернете были надены спирали, которые согласовывались таким способом, но неожиданно был найдена страница Джейсона Хеккера (Jason Hecker). Он действительно использовал элегантное решение согласования, используя медную лопатку в соответствии с ARRL Handbook. Так что вся хвала - ARRL и Джейсону, для антенны были использованы его размеры. Честно говоря, эта страница практически копирует его страницу, за исключением того, что спираль намотана в противоположном направлении ).
Рисунки 2a и 2b. Идея, размеры и монтаж согласователя. Гипотенуза треугольника должна быть продолжением провода.
Теперь необходимо припаять согласователь к спирали, приклеить их и приготовиться к соединению с колпачком, как показано на Рис. 3.
Рисунок 3. Почти законченная спиральная антенна.
Готово! (Рис. 4)
Рисунок 4. Законченная 12тивитковая 2.4 ГГц спиральная антенна, G = 17.5 dBi или 13.4 dBi (соответственно по Краусу или Эмерсону).
Характеристики антенны были измерены. Результаты - на Рис. 5a и 5b:
Рисунок 5a. Потери на отражении (dB) от 2300 до 2500 МГц
Рисунок 5b. Диаграмма Смита 2300-2500 МГц
Рисунок 6a Установка для измерения
Рисунок 6b "Спиральная антенна за час" и анализатор Rohde & Schwarz
И наконец, спиральная антенна в действии…
Рисунок 7a Излучает на мой LAP (Local Access Point 
Рисунок 7b Вид снизу
Прекрасная антенна, с нее все начиналось (по правде говоря первыми были BiQuad, но т.к. они не влагозащищенные) остановились на этой конструкции. Использовать их необходимо на 2-х ТД из-за поляризации.
Предагаю обсудить дальнейшее сотрудничество по e-mail или на форуме www.lan23.ru в привате для VBM ( http://www.lan23.ru/forum/index.php?showuser=7 ).
Комментарий от VBM — February 7, 2006 @ 8:31 amДа, тут важно соблюдение круговой поляризации на обеих концах линка, если ее не учитывать, мощность сигнала упадет в несколько раз. На следующих выходных планируем делать высокоскросной линк с их помощью, и в том числе будем оценивать параметр цена/производительность с заводскими направленными антеннами (сеточная парабола) и двумя разными видами Access Point.
Комментарий от webmaster — February 7, 2006 @ 9:35 am[…] После этого антенна была собрана согласно одному из описаний, аналог которого можно прочесть на этом сайте. […]
Pingback от WiFi антенна: Wi-Fi антенны своими руками » Helix Power: Рассказ о создании 10 км линка на основе спиральных антенн — February 23, 2006 @ 10:43 am[…]После недолгих поисков в интернете были надены спирали, которые согласовывались таким способом, но неожиданно был найдена страница Джейсона Хеккера (Jason Hecker). Он действительно использовал элегантное решение согласования, используя медную лопатку в соответствии с ARRL Handbook.[…]
А вот тут необходимо поподробнее описать как медный лепесток прокладывается, т.к. это один из наиболее частых вопросов - как правильно его расположить относительно витков антенны и разъема !!! Не все ВНИМАТЕЛЬНО смотрят на рисунок!!!
Комментарий от VBM — February 24, 2006 @ 2:12 pm[…]После недолгих поисков в интернете были надены спирали, которые согласовывались таким способом, но неожиданно был найдена страница Джейсона Хеккера (Jason Hecker).[…]
Проверьте линки в этом месте - у меня не работают. Исправил линк с http://vbm.lan23.ru/wifi/wifiant.html описние сборки Helix, которое ранее ссылалось на ваш прежний сайт.
Комментарий от VBM — February 24, 2006 @ 5:56 pmВсе нормально, она вскоре оживет, там просто проблемы с сервером, вскоре попустит.
Спасибо, но я там кажется перенаправляю все сюда, проблем быть не должно.
Комментарий от webmaster — February 24, 2006 @ 9:29 pmГлавный вопрос - если я не нашел трубы 40 но есть 38, то шаг витков
надо менять? Я так понял по таблице, что с 33 мм надо поменять на 31?
Вопрос второй, если у меня длинный Р-Кабель РГ-58 от карты до антенны
то возможно стоит между концом антенны и землей(экраном-отражателем)
поставить согласующее сопротивление скажем на 50 ом чтобы сигнал не
затухал окончательно, а хоть как то входил в резонанс с землей.
Возможно есть какоето решение с конденсатором (и)или катушкой
на конце антенны.
Далее, хочу спросить - Можно ли загнать спиральную антенну в банку -
Комментарий от swd — April 25, 2006 @ 10:07 amтрубу с заглушкой? Так сказать сделать гибрид антенн - банка-спираль.
какие могут быть расчетные диаметры банки под WiFi
и какие допуски в диаметрах - я так понял что диаметр должен быть
кратным длинне волны? Модет на выходе из банки стоит сделать
рупор-раструб, чтобы ту часть отраженных по синусойде волн на выходе
- отразить всетаки в нужном направлении, а не терять. Или возможно
есть смысл развернуть банку в обратном направлении и направить
на тарелку от параболической антенны из точки фокусировки - тогда и
входящий сигнал даже от слабой антенны можно будет поймать достатчно
четко. Заранее спасибо всем за ответ, С уважением, Альберт.
будет ли эта антена создавать помехи для телевизоров и радио? и вобще какие опасности таит эта антена?
Комментарий от MAX_BORZOY — June 26, 2006 @ 5:17 amОдин конец спирали припаевается к кабелю или к разъему, а второй конец к экрану?
Комментарий от ligverd — July 20, 2006 @ 9:29 pmОдин конец, дальний от экрана, ни к чему не припаивается. Второй конец припаивается к волновому трансформатору, изготовленному из медной фольги. Он в свою очередь припаивается к центральной жиле кабеля или разъема.
Комментарий от webmaster — July 20, 2006 @ 9:51 pmУже разобрался, сделал, ставлю.
Комментарий от ligverd — July 24, 2006 @ 11:18 pmКонструкцию изменил. Если интересно могу фотки прислать.
Чем можно заменить аллюминиевый рефлектор?
Комментарий от Lik — September 8, 2006 @ 5:53 amВ расчетах “Диаметр витка (D) = (l/pi) = 39.3 mm”, при этом реально с использованием трубы 40 мм + толщина изоляции провода получается 42 мм. Есть мысль сделать спиральную проточку в 40 мм трубке, чтобы провод был хотя бы наполовину заподлицо. При этом диаметр витка соответственно станет не 42 мм, а меньше (около 40 мм) Надо ли корректировать количество витков?
Комментарий от vomus — October 23, 2006 @ 8:27 pmЯ бы воспользовался калькулятором и просто пересчитал бы шаг.
Комментарий от webmaster — October 28, 2006 @ 12:26 amНе знаю повторюсь ли я, такое дело ..
Комментарий от orion — November 15, 2006 @ 4:43 pmНада соединить 2 обекта на растоянии ~1км, на одном конце стоит Бридж что подключается к антене и выводит сетевой кабель к серверу и Антенна(понятия не имею какая - узконаправленная,скорее всего параболическая). На второй нада зделать Антенну, и провести кабель на крышу ~30м. Можно ли подключать напрямую к ВиФи карте, и хватит ли ей мошности чтобы транслировать на 1~1.5км дистанцию?
Заранее блогодарен.
Недавно начал собирать две такие антенны и сразу, естественно, появились некоторые вопросы:
Комментарий от Ben — November 17, 2006 @ 2:54 pmПервое - Имеет ли какое то значение толщина матереала экрана. Есть два варианта либо сделать его из алюминивой фольги(толщина ~0,1 или тоньше) наклееной на жеское основание, либо выризать из оценкованого железа. Что лучше?
Второе - на линии прямой видимости находятся густые деревья, их всего несколько но за ними почти ничего не видно. Сильно ли это повлияет на сабильность линка, скорость и вообще сильно ли они мне все подпортят? Расстояние до второй антенны примерно 2,5-3 Км.
И, наконец, третье - я сам неразу канкретно с ВайФайными сетевухами не работал. Хочу взять, для этого дела(сети), D-Link либо G510 либо G630. Что лучше? В прайсах есть и более дорогие модели, G520 например, они както различаются?.
Ещо раз повторюсь расстояние между точками примерно 2,5-3 Км, антенна 12виковая(а может 24х сделать, она ведь по расщетам мощнее выходит?).
>>>>>>>>>>> БУДУ ОЧЕНЬ БЛАГОДАРЕН ЗА ОТВЕТЫ
Кабель длиной 30 метров никто не осилит без усилителя мощности.
Комментарий от webmaster — November 30, 2006 @ 11:34 amНужно ставить точку доступа рядом с антенной, а до ТД прокидывать витую пару с питанием.
Толщина значения не имеет, так что сделай как тебе легче.
Очень сильно повлияет, другими словами ничего работать не будет.
Не знаю, как они отличаются, посмотрите на сайте производителя, что из этих карт мощнее, то и берите.
24 витка лучше чем 12, но не радикально. 12 должно хватить.
Комментарий от webmaster — November 30, 2006 @ 11:39 amЗдравствуйте!Скажите ПЛЗ а какой материал можно использовать для изготовления заглушек?И для чего они нужны ?И еще законно ли использовать самодельные антенны?
Комментарий от BvC — February 8, 2007 @ 7:16 pmВот такие вот вопросы у меня возникли при создании этой антенны:
Комментарий от molex — February 9, 2007 @ 5:38 pm1.Из какого материала может быть выполнена заглушка соприкасающаяся с рефлектором?
2.Сильно ли повлияет, если провод в изоляции намотанный спиралью, еще закрепить одним слоем изоленты по всей длине антенны?
3.Как я понял эту антенну не получится использовать, если на одной стороне стоит точка доступа с хеликс антенной, а на другой обычная точка доступа со стандартной антенной?
4.Возможно ли использовать эту антенну с обычной pcmci wi-fi картой мощностью в 200миливатт?
Привет всем. Антенну собрал на 24 ветка, точка даступа DWL-2100ap,
Комментарий от Pert — February 13, 2007 @ 10:08 pmкабель 0,5 метра с одной стороны, с другой стороны провайдер с internetOM, с заводской антенной, секционной натравки, какой мощности не знаю, растояние примерно 5-КМ, уровень сигнала составляет 54-60%, судите сами