Как работает дискоконусная антенна. Диско-конусная антенна. Схема, описание Дискоконусная антенна

Приветствую коллег по увлечению! Вот мой сетапчик:

Для соединения приемника с антенной решил использовать хороший спутниковый кабель RG-6 Reeme. Тому было несколько причин:

1. Низкие паспортные потери на 1000 МГц (Около 17 дБ на 100 м - один из лучших показателей среди коаксиалов)
2. Дешевизна разъемов (к тому же были дома в наличии)
3. У меня уже был проложен кабель на крыше к спутниковой антенне, в настоящее время он уже не использовался

Разница в волновых сопротивлениях особо не волновала, потеря 4% мощности сигнала из-за рассогласования это ничто по сравнению с возможными потерями от применения 50-омного кабеля с более высокими потерями.

Столкнувшись с выбором антенны для своего приемника остановился на трёх кандидатах: 6-элементная , Super и дискоконус. Все антенны были предварительно рассчитаны на 75 Ом и довольно точно изготовлены. Испытал поочерёдно Франклина, Super-J и дискоконус. Как ни странно выйграла дискоконусная антенна.

Пытался настроить Франклина смещая точки подключения на четвертьволновом шлейфе, но результаты всё равно не впечатлили. С Super-J такая же история. Дискоконус работал лучше. Вот мои предположения по этому поводу:

1. Франклин - симметричная антенна, если просто подключить к нему несимметричную линию питания (коаксиальный кабель) то это искозит её диаграмму направленности, что естественно приведёт к снижению коэффициента усиления. Поидее нужно дополнительно применять симметрирующее устройство.
2. Теоретический расчёт это хорошо но на практике нужного согласования можно и не добиться из-за влияния многих факторов, которые невозможно учесть в расчёте
3. Точность изготовления. Если изготовить антенну с миллиметровой точностью то возможно она будет нормально работать.

А вот что понравилось в дискоконусе:

1. Компактный размер. Высота около 80 мм, ширина около 70 мм
2. Широкополосность. Антенна не нуждается в настройке и начинает работать сразу после сборки.
3. Простота изготовления. Дискоконус не критичен к точности изготовления. Можно смело ошибаться +/- 5 мм в размерах (проверено практикой). В сантиметрах, конечно, ошибаться не нужно.

Чертёж с размерами:

Жирной точкой по центру диска обозначено место припайки центрального вывода F-разъема к диску. Диск и основание изготовлены из одностороннего фольгированного текстолита. Образующие конуса изготовлены из медного провода диаметром 2 миллиметра. Медь залудил, но это необязательно. Вот что получилось:

В процессе экспериментов выяснилось что даже небольшое увеличение длины кабеля приводит к ухудшению приёма. Т.к. антенна должна быть установлена на крыше и соединена 40 метровым кабелем, без усилителя не обойтись. Купил обычный спутниковый усилитель OPENMAX A04-20 на 20 дБ за 150 рублей. Ещё нужно было сделать так что бы вход приёмника был закорочен по постоянному току. В результате родилась вот такая схема:

По инжектору: Предохранитель защищает блок питания от возможных КЗ (например при обрыве кабеля). Защитный диод D1 защищает схему от грозовых перенапряжений (подсмотрел в схеме спутникового тюнера). При напряжении выше 24 В, пробивается и закорачивает схему. Конденсатор С2 - помехозащитный. Дроссель L1 - ВЧ фильтр, намотан на тороидальном ферритовом сердечнике (10 витков провода ПЭЛ 1,0)

Для закорачивания входа приемника по постоянному току использовал четвертьволновый короткозамкнутный шлейф из отрезка коаксиального кабеля. Схема отлично себя зарекомендовала. При испытаниях шлейф вообще никак не влиял на качество приёма. Длина отрезка коаксиального кабеля получилась 45 мм (учёл коэффициент укорочения и длину F-гнезда в разветвителе).

Приемник поместил в другой корпус и закрыл прозрачной крышкой из плекса. Так красивее и светодиоды хорошо видно. Общий вид конструкции:

Удачного радарспоттинга!

Дискоконусная антенна представляет собой характерный излучатель, давший название первой части сложносоставного имени изделия, снабженный «землей» из металлической арматуры либо просто конусом. В частичном диапазоне конструкция позволит получить линейную вертикальную поляризацию при движении волны между диском и конусом. Это то, что нужно для радиосвязи. Вдобавок рассмотрим доработку, превращающую устройство в излучатель круговой поляризации в направлении, перпендикулярном диску и противоположном нахождению земли. Читатели узнают, как самостоятельно собирается дискоконусная антенна.

Дискоконусные антенны

Важно! Всенаправленные дискоконусные антенны часто применяются в МВ диапазоне. Не отличаются явным усилением по указанной причине.

Тема сегодняшнего разговора – дискоконусная антенна своими руками. Ходят слухи, что первый патент под номером 2368663 (США) взял А.Г. Кандоян (Kandoian). Достоинством устройства признан широкий диапазон рабочих частот. Разумеется, усиление уступает диполю. На диапазоне обычно удается подключить к кабелю без согласования, плюс собственно конструкция не критична к точности размеров. В дециметровом диапазоне приходится брать сплошной конус, на КВ и метровых волнах большинству хватает скелетной формы. Диск вырождается в набор проводников-лучей с единым центром. Это снижает ветровую нагрузку, на длинных волнах размеры конуса и диска приобретают гигантские значения. Стержней 6, 8 или 12.

Внимание! Питание диска и конуса ведется в противофазе.

К диску определенной величины подключается центральная жила кабеля. Роль земли играет пучок из металлической арматуры, если нет желания собственноручно делать конус. Понятно, что диаграмма направленности искажается. Возникает неравномерность в азимутальном направлении. А диаграмма направленности типичной дискоконусной антенны напоминает тор (бублик). Волна возникает между диском и конусом. Диапазон зависит от расстояния. Для примера приводим конструкцию, указанную на сайте http://elektronika.rukodelkino.com/stati/antenni/35-disko-konusnaya-antenna.html.

Смысл работы уже описан, реализация для частот 85 — 500 МГц:

Волновое сопротивление устройства составляет 60 Ом, приготовьтесь согласовать любым удобным способом. Центральная жила подключается к середине диска снизу, конус объединяется с экраном. Таким образом, получается нечто вроде разомкнутого волновода, где распространяется волна, излучаясь. Коэффициент усиления – минус 3 дБ в сравнении с полуволновым диполем. Онлайн калькуляторов для расчета нет, найдем подходящую методику. Проведем анализ нашей собственной конструкции. Считаем, что минимальное и максимальное расстояния между диском и конусом должны соотноситься с граничными длинами волн диапазона. Вначале подсчитаем размеры:

λmin = 299 792 458 / 500 000 000 = 60 см.

λmax = 299 792 458 / 85 000 000 = 3,53 м.

Опираемся на полученные величины. Поделим обе на четыре и посмотрим, что останется. Имеем: 15 и 88,2 см. Видим, что размеры ни к чему не привязаны. Согласно рисункам и формулам:

Последними двумя параметрами определяется верхняя граничная частота антенны, как пишет Нейл, результатами труда которого мы сейчас воспользовались, дискоконусная антенна ведет себя подобно фильтру верхних частот. Имеется некоторая предельная нижняя частота, по которой вычисляется сторона конуса, где КСВ составляет 3. При переходе через лимит вниз КСВ начинает стремительно расти, что делает использование устройства нецелесообразным. В рабочих пределах параметр постепенно снижается до 1,5. Длину боковины конуса берём чуть больше четверти максимальной длины волны. Добавим, что диаметр диска не зависит от угла при вершине, способного отличаться от 60 градусов.

Сравним числа с указанными выше: из расчетов видна, что боковая стенка взята равной (!) минимальной длине волны, что не соответствует книге. Для верности исследуем на сходство таблицу из литературы, чтобы окончательно подтвердить либо рассеять сомнения (владельцы сайта не по тому параметру вели расчет).

Видно, что размеры антенны линейно уменьшаются с ростом частоты. К примеру, при 14 МГц почти вдвое больше, нежели при 28 МГц. Следовательно, для 85 МГц найдем нужные параметры по пропорции (напомним, что угол при вершине в приведенных ранее сведений составляет 60 градусов). 85 поделить на 14 = 6. Следовательно, делим размеры на полученный коэффициент, выходит:

1. Угол при вершине 60 градусов.
2. Диаметр основания и длина стороны – 91 см.
3. Диаметр диска – 61 см.
4. Зазор между диском и конусом — 4 см.

Верхняя частота не обязательно 500 МГц, говорили, что цифра зависит от диаметра сечения конуса. Чем меньше дыра под кабель, тем с более высокими частотами работает антенна. Итак, показали, что доверять расчетам из сети с вероятностью 100% нельзя. Возможно, там использованы некие конструктивные инновации с неизвестными данными, но, скорее, авторы урезали конус до размера диска. Следовательно, на нижних частотах работать не станет.

Можем догадаться, как высчитывается максимальная рабочая частот: четверть длины волны равна расстоянию от места крепления жилы к диску до среза конуса. Просто по аналогии. Проверьте факт без портала ВашТехник, тезис считаем очевидным.

Форма дискоконусной антенны

Внимательные читатели заметили, что не во всех обзорах угол при вершине составляет 60 градусов. Почему выбран указанный параметр у теоретиков и бывалых практиков. Проводились исследования для кабеля 50 Ом, наглядно показавшие, что данный угол при вершине дает наиболее широкий диапазон, где КСВ не превышает 2. В остальных случаях, в сторону роста и уменьшения, наблюдались различные пики и сужения полосы. Выходит, угол 60 градусов при вершине теоретически обоснован. Если нижняя граница неважна, увеличьте на 10 градусов. КСВ становится более приемлемым, не изменяя области нижней границы.

Что касается скелетных форм вместо сплошных конусов и дисков, это существенно уменьшает массу изделия, понижает ветровую нагрузку. Представьте здоровенные изделия из стали, тем более меди! Вес немалый.

Итак, показано, что широкополосная дискоконусная антенна демонстрирует коэффициент усиления меньше, чем у вибратора. При этом конструкция не столь чувствительна к отклонениям размеров, отличается сравнительной сложностью. Иначе говоря, сделать дискоконусную антенну самостоятельно возможно, но сложно. Обобщим:

• Ключевым считается размер стороны конуса, обуславливающий вычисление прочих габаритов.
• Угол при вершине берем 60 градусов для радиосвязи и WiFi.

Обещали показать, как усовершенствовать дискоконусную антенну. Пожалуйста! Диск запитывается не от кабеля непосредственно, а через отрез провода, составляющий отрезок линии с бесконечно большим сопротивлением при переходе через определённую граничную частоту. В центре диска прорезается отверстие, через которое жила питает дополнительный диск, расположенный выше, излучающий в зенит. Подобная конструкция ловит практически любую линейную поляризацию, исходящую из точки вертикали. Необходимость авторам неизвестна. Пример взят из литературы.

Особенности дискоконусных антенн в том, что возможно сделать гигантское сооружение, принимающее на всех частотах. Главное – правильно выполнить вершину, отвечающую за верхний диапазон. Разумеется, при приближении к СВЧ растут требования к шероховатости поверхностей, лучи света, к примеру, отражаются от зеркала. В этом свете понятно, почему к изделиям проявляется такой интерес. Полуволновый вибратор дает хорошее усиление, но настолько шикарной полосы устройство не обеспечит. Самодельная дискоконусная антенна приличных размеров ловит почти все! Со всех направлений. Рекомендуем сделать дискоконусную антенну и снабдить конструкцию хорошим входным фильтром.

Решил поглубже изучить вопрос работы дискоконусной антенны, чтобы понять действительно она является нужным мне выбором. И знаете, это действительно интересная антенна, которую можно раскрутить на получение хорошего потенциала. Возможно я пойду по пути тех, кто проектирует антенны комплексного типа. Но такую комплексную антенну я поставлю на даче, в городе мне подойдёт антенна с меньшими требованиями.

И так, каковы интересующие меня характеристики антенны:

• Круговая диаграмма направленности,
• широкополосность,
• ветроустойчивость,
• малая материалозатратность.

Ранее я писал, что у меня был выбор между логопериодической и дискоконусной антенной . Я обдумал своё решение и пришёл к выводу, что для конкретно моих задач по мониторингу радиоэфира больше подходит дискоконусная антенна. А из-за специфики расположения дачного участка, на даче мне удобнее будет проводить мониторинг спутников NOAA и дальние проходы в СиБи и десятиметровом диапазоне.

И так, что же из себя представляет дискоконусная антенна? Как следует из названия, дискоконусная антенна представляет из себя диск (излучающий элемент) и конус (противовес излучающему элементу). Начну разбор этой антенны именно с этого классического варианта.

Такая замысловатая форма антенны приводит к ошибочному мнению, что у дискоконусной антенны горизонтальная поляризация. На самом деле поляризация у этой антенны — вертикальная. Антенна представляет собой бесконечное множество V-образных антенн наклонённых к горизонту (активным элементом вверх и противовесом вниз). Если бы часть диска была одним плечом антенны, а другой — другим, то поляризация была бы горизонтальной. В нашем же случае одно плечо наклонено горизонтально, а другое — под углом от горизонта в землю. В результате получаем диаграмму направленности в виде бублика.

Диск и конус — это хорошо, но у такой конструкции получается дикая парусность. По этому в коммерческих разработках диск и конус заменены на проволочную конструкцию. Данный подход позволяет уменьшить ветровую нагрузку, удешевить процесс изготовления, уменьшить материалоёмкость изготовления антенны и упростить её сборку. И именно таким путём я последую при изготовлении своей антенны.

Манипулируя материалами и конструкциями диска и конуса создаются массы различных антенн дискоконусного типа. Одна из самых распространённых дискоконусных антенн — это железнодорожная антенна. В качестве примера можно рассмотреть антенну компании VIAM-RADIO. Эта антенна рассчитана на работу с локомотивными радиостанциями на диапазонах 151-156 МГц и 307-344 МГц. Из-за высоких скоростей и требований по прочностным характеристикам антенну изготовили в виде сварной конструкции с дополнительными элементами укрепляющими конструкцию.

Локомотивная антенна АЛ/23 дискоконусная

Существуют альтернативные подходы увеличения полосы пропускания. В диапазонах от сотен до тысяч мегагерц размеры дискоконусных антенн остаются приемлемыми, а с уменьшением частоты размеры становятся не удобными как для монтажа, так и для расчёта конструкции. Но есть альтернативный вариант увеличения полосы приблизительно до 25 МГц. Для этого к диску (или заменяющим его проводникам) подключают дополнительный штырь, тем самым увеличивая полосу. Но если просто так подключить штырь, то его влияние ухудшит параметры и он должен работать только на «своём диапазоне». Для этого штырь отсекается от диска с помощью индуктивности.

Но подобный вариант сразу превращает антенну в крупногабаритную, и кроме того передачу вести в дополнительном диапазоне нельзя. Дополнительный кусочек диапазона добавляется только на приём. Собственно для сканеров подобная антенна идеально подходит.

Как только рассчитаю необходимые для меня размеры — так их и опубликую. Потом начну собирать материалы для постройки этой антенны.

По сравнению с коаксиальной антенной диско-конусная антенна, обладая также круговой диаграммой направленности и таким же способом питания, имеет значительно большую полосу пропускания. По сравнению с обычным диполем коэффициент усиления этой антенны равняется -3дБ. Это уменьшение коэффициента усиления не должно вызывать удивления, так как диско-конусная антенна имеет правильную диаграмму направленности при очень большой полосе пропускания. Конструкция диско-конусной антенны, изображенная на рис. 11-40, при соблюдении указанных размеров и непосредственном питании по коаксиальному кабелю с волновым сопротивлением 60 Ом имеет полосу пропускания от 85 до 500 МГц.

Puc.1

Конус изготовляется в виде рупора из листа меди или какого-либо другого материала, который легко паять. Кабель питания проводится внутри конуса и его внешняя оплетка припаивается к конусу, а очищенный отрезок внутренней жилы длиной 100 мм - к металлическому диску. Диск удерживается в горизонтальном положении с помощью изолирующих подпорок.

Для установления дальних радиосвязей в диапазонах 144- 146 МГц и особенно на 420-425 МГц необходимо сконцентрировать излучение электромагнитной энергии в виде узкого луча и направить его возможно ближе к горизонту. При этом также необходимо иметь возможность устанавливать радиосвязи с корреспондентами, находящимися в различных направлениях от радиостанции при неподвижной антенне. Для такого случая антенна должна иметь в вертикальной плоскости диаграмму направленности в виде вытянутой восьмерки, а в горизонтальной - в виде окружности. Подобную диаграмму можно получить при исполнении биконической антенны (рис. 2), представляющей собой два металлических конуса, к одному из которых присоединена средняя жила кабеля, а к другому - его оплетка. Недостатком такой антенны является необходимость симметричного возбуждения.

Puc.2

Широкополосная биконическая дискоконусная антенна (рис. 3), в которой роль верхнего конуса выполняет диск, не требует симметричного возбуждения. В табл.1 приведены размеры дискоконусных антенн, рассчитанных для работы в любительских диапазонах.

Таблица 1

При выбранных размерах антенны работу желательно вести в области наиболее низких рабочих частот, так как при повышении рабочей частоты угол между направлением максимального излучения и горизонтом увеличивается. Питание антенны производится кабелем с волновым сопротивлением порядка 60- 70 ом без согласующих устройств. Диск изолируется от конуса, который может быть заземлен. Для работы в диапазоне 38-40 МГц конус и диск выполняются из штырей диаметром 3 - 5 мм (рис.4). Максимальное расстояние между штырями не должно превышать 0,05L.

Puc.3,4

Литература :

1. К.Ротхаммель. Антенны. Москва "Энергия". 1979г.
2. Ф.Бурдейный и др. Справочник коротковолновика. Из-во ДОСААФ, Москва. 1959г.

Полезная модель направлена на уменьшение габаритов и парусности антенны. Указанный технический результат достигается тем, что в дискоконусной антенне, содержащей вибраторы, образующие диск, противовесы, образующие конус, изолятор, на котором закреплены вибраторы и противовесы, каждый из упомянутых вибраторов и противовесов представляет собой диэлектрический стержень, на который с переменным шагом намотан провод, причем провода вибраторов со стороны с меньшим шагом намотки электрически соединены в узел, образующий центр диска, а провода противовесов со стороны с меньшим шагом намотки электрически соединены в узел, образующий вершину конуса. На каждый вибратор и противовес надета защитная диэлектрическая оболочка. 2 п. ф., 2 ил.

Устройство относится к радиотехнике, а конкретно к антенной технике, и может быть использовано в антеннах мобильной и стационарной радиосвязи.

Известны дискоконусные антенны (и ее разновидности) (см. например Ротхаммель к Кришке А. Антенны. Том 1.: Пер. с нем. - Мн.: ОМО «Наш город», п. 19.7.2 стр. 397). Известна также широкополосная дискоконусная антенна DA3000 фирмы AOR Ltd (Япония) (см. http://www.radioservice.ru/antenn/da_3000.htm).

Из известных наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является широкополосная дискоконусная антенна DA 3000 фирмы AOR Ltd (Япония) (см. http://www.radioservice.ru/antenn/da_3000.htm), в которой восемь горизонтальных штыревых элементов формируют диск, а восемь наклонных - конус.

Антенна обеспечивает работу в широком диапазоне частот. Однако при длине волны 10 м и более антенна имеет существенные габариты и обладает большой массой и парусностью. Это затрудняет установку антенны на мачтовые устройства как подвижных, так и стационарных объектов связи.

Задачей предлагаемого технического решения является уменьшение габаритов и парусности дискоконусной антенны.

Поставленная задача достигается тем, что в дискоконусной антенне содержащей вибраторы, образующие диск, противовесы, образующие конус, изолятор, на котором закреплены вибраторы и противовесы, каждый из упомянутых вибраторов и противовесов представляет собой диэлектрический стержень, на который с переменным шагом намотан провод, причем провода вибраторов со стороны с меньшим шагом намотки электрически соединены в узел, образующий центр диска, а провода противовесов со стороны с меньшим шагом намотки электрически соединены в узел, образующий вершину конуса.

На каждый вибратор и противовес может быть надета защитная диэлектрическая оболочка.

Предлагаемая устройство поясняется чертежами. На фиг. 1 схематично показан общий вид конструкция дискоконусной антенны, на фиг. 2 - конструкция вибратора и противовеса.

Дискоконусная антенна содержит излучающие вибраторы 1 (показаны два) (см. фиг. 1), образующие диск 2, противовесы 3 (показаны три), образующие конус 4. Каждый вибратор 1 и каждый противовес 3 одной стороной закреплен на изоляторе 5. Каждый из упомянутых вибраторов 1 и противовесов 3 представляет собой диэлектрический стержень 6 (см. фиг. 2), на который с переменным шагом намотан провод 7. Шаг намотки провода 7 на диэлектрический стержень 6 вибраторов 1 и противовесов 3 минимальный со стороны, закрепленной на изоляторе 5, и увеличивается в направлении свободной стороны упомянутых вибраторов 1 и противовесов 3. Величина шага намотки определяется условиями согласования и диапазоном рабочих частот антенны. Концы проводов вибраторов 1, со стороны с меньшим шагом намотки, электрически соединены в узел, образующий центр диска 2 антенны. Концы проводов противовесов 3, со стороны с меньшим шагом намотки, электрически соединены в узел, образующий вершину конуса 4 антенны. На каждый вибратор 1 и противовес 3 может быть надета защитная диэлектрическая оболочка 8, в качестве которой может быть использована термоусадочная трубка. Питающий фидер 9 внешней оплеткой соединен с вершиной конуса 4 антенны, а его центральная жила соединена с центром диска 2 антенны (на чертеже не показано).

Работает устройство следующим образом.

При подаче через питающий фидер 9 высокочастотного сигнала происходит возбуждение антенны - в вибраторах 1 диска 2 появляются токи проводимости, которые возбуждают электромагнитное поле, силовые магнитные линии которого замыкаются на конус 4 антенны, возбуждая в нем те же токи проводимости, с той же направленностью, что и в диске 2. Таким образом, дискоконусная антенна представляет собой объемный проводник, у которого в симметричных (относительно середины) точках, токи равны по величине и имеют одинаковое направление в пространстве. Выполнение вибраторов 1 и противовесов 3 в виде диэлектрического стержня 6, на который с переменным шагом намотан провод 7, позволяет при изготовлении изменять длину этого провода и величину шага намотки и изменять, тем самым, «электрическую длину» вибраторов 1 (противовесов 3) дискоконусной антенны. Таким образом, для обеспечения работы дискоконусной антенны в диапазоне длин волн 10 м и более, выбирается длина провода 7 и шаг намотки, необходимые для получения «электрической длины» вибраторов 1 (противовесов 3), обеспечивающей работу антенны в соответствующем диапазоне длин волн. При этом, при необходимой «электрической длине» вибраторов 1 и противовесов 3 достигается уменьшение их геометрических размеров. В предложенной конструкции коэффициент «укорочения» достигает 2. Такая конструкция антенны обеспечивает работу в диапазоне длин волн более 10 м, обладая меньшими габаритами и, следовательно, парусностью.

Таким образом, при работе в одном диапазоне длин волн, предлагаемая конструкция дискоконусной антенна имеет меньшие габариты и парусность по сравнению с прототипом.

1. Дискоконусная антенна, содержащая вибраторы, образующие диск, противовесы, образующие конус, изолятор, на котором закреплены вибраторы и противовесы, отличающаяся тем, что каждый из упомянутых вибраторов и противовесов представляет собой диэлектрический стержень, на который с переменным шагом намотан провод, причём провода вибраторов со стороны с меньшим шагом намотки электрически соединены в узел, образующий центр диска, а провода противовесов со стороны с меньшим шагом намотки электрически соединены в узел, образующий вершину конуса.

2. Дискоконусная антенна по п.1, отличающаяся тем, что на каждый вибратор и противовес надета защитная диэлектрическая оболочка.