Проектирование спиральной антенны (Axial Mode)
Спиральная антенна (Helical Antenna), изобретенная Джоном Краусом, является одним из самых популярных типов направленных антенн благодаря своей простоте, высокому усилению и, главное, круговой поляризации. Это делает её незаменимой в спутниковой связи, системах дальней связи FPV-дронов и Wi-Fi мостах, где положение передатчика относительно приемника может меняться.
Наш калькулятор рассчитывает параметры антенны в осевом режиме излучения (Axial Mode), когда максимум энергии направлен вдоль оси спирали.
Принцип работы и геометрия
Чтобы спираль работала как направленная антенна бегущей волны, а не как простой штырь, длина окружности одного витка ($C$) должна быть близка к длине волны ($\lambda$).
Эффективный рабочий диапазон:
$$0.75\lambda < C < 1.3\lambda$$
Если длина витка значительно меньше длины волны, антенна переходит в режим нормального излучения (как в портативных рациях) и теряет направленные свойства.
Формулы расчета
Для расчетов используются классические эмпирические формулы Крауса.
1. Геометрические размеры
Длина волны ($\lambda$) вычисляется через частоту ($f$, МГц):
$$\lambda = \frac{299792.458}{f}$$
Диаметр намотки ($D$) выбирается так, чтобы длина окружности равнялась длине волны:
$$D = \frac{\lambda}{\pi}$$
2. Коэффициент усиления (Gain)
Усиление зависит от количества витков ($N$) и шага намотки ($S$). Чем больше витков, тем уже луч и выше усиление.
$$G \approx 15 \cdot N \cdot \frac{S}{\lambda} \cdot \left(\frac{C}{\lambda}\right)^2 \quad (\text{безразмерная величина})$$
В децибелах:
$$G_{dBi} = 10 \cdot \log_{10}(G)$$
3. Импеданс и Согласование
Особенность спиральной антенны — высокое входное сопротивление. В осевом режиме оно составляет около 140 Ом, что не позволяет подключить её напрямую к стандартному кабелю 50 Ом (КСВ будет > 2.5).
$$Z_{ant} \approx 140 \cdot \frac{C}{\lambda} \approx 140 \, \text{Ом}$$
Для согласования с кабелем 50 Ом калькулятор предлагает использовать четвертьволновый трансформатор — отрезок медной полоски или провода определенной длины и ширины, припаянный между разъемом и началом спирали.
Сопротивление трансформатора рассчитывается как среднее геометрическое:
$$Z_{trans} = \sqrt{Z_{ant} \cdot 50} \approx \sqrt{140 \cdot 50} \approx 84 \, \text{Ом}$$
Таблица популярных частот
Ниже приведены ориентировочные размеры для самых востребованных диапазонов (при количестве витков N=12):
| Частота | Применение | Диаметр (мм) | Шаг витка (мм) | Усиление (оценочное) |
| 433 МГц | LRS, Телеметрия | 220 мм | 160 мм | ~14 dBi |
| 868 МГц | LoRa, FPV управление | 110 мм | 80 мм | ~14 dBi |
| 1.2 ГГц | Видеосвязь (Long Range) | 76 мм | 55 мм | ~14.5 dBi |
| 2.44 ГГц | Wi-Fi, Bluetooth, RC | 39 мм | 28 мм | ~14.5 dBi |
| 5.8 ГГц | FPV видео | 16.5 мм | 12 мм | ~14.5 dBi |
Полезные советы по сборке
- Рефлектор: Обязательная часть антенны. Это может быть круглый диск или квадратная пластина из металла (или фольгированного текстолита). Его диаметр должен быть минимум $0.8\lambda$.
- Толщина провода: Не влияет критически на частоту, но влияет на жесткость конструкции. Для 2.4 ГГц обычно используют медный провод 1.5–2.5 мм.
- Каркас: Для намотки часто используют трубы ПВХ. Учитывайте, что пластик имеет диэлектрическую проницаемость $>1$, что немного «электрически удлиняет» провод. На высоких частотах (5.8 ГГц) лучше использовать тонкие диэлектрические распорки, а не сплошную трубу.