Walter R. Gulley - Детали конструкции спиральной антенны GPS

Дизайн плоской антенны GPS был опубликован в 1995 году в журнале QST, а также размещен в интернете. Преимущество такой антенны в том, что ее легко построить. Данная антенна компактна и не требует больших материальных затрат. Основное ограничение состоит в том, что антенна не очень хорошо отслеживает спутники, которые находятся на малых углах по отношению к горизонту. Спецификация GPS SPS предусматривает отслеживание до пяти градусов над горизонтом, что не может быть обеспечено описываемой антенны.

После создания и тестирования нескольких антенных устройств, было принято решение создать нечто лучшее. GPS спутники передают сигнал с правой круговой поляризацией. Обзор общих конструкций антенн, представленных в American Radio Relay League (ARRL) Antenna Book (17-е издание, 1994), позволило сделать вывод, что наилучшую производительность могут обеспечить спиральные антенны с правой круговой поляризацией. Создание нескольких моделей доказало правильность этого суждения.

Данный документ содержит подробное описание такой антенны, а также то, что было выявлено тяжелым трудом на разных этапах моделирования. Хоть данная антенна и не настолько компактна, как плоская антенна, но она все еще остается дешевой и легкой в построении. В некоторой степени компактность спиральной антенны обеспечивается за счет того, что на сверхвысоких частотах длина волны достаточно мала.

Справочная информация

Исходные данные:

1. Система GPS SPS L1 с частотой 1575,42 МГц или 1575420000 Гц

2. Скорость распространения GPS сигнала 299792458 м / с.

Отсюда следует:

Длина волны GPS антенны: 299792458/1575420000 = 0,19029 м, или приблизительно 19 CM, что соответствует 7,5 дюймам.

На сверхвысоких частотах проектирование спиральных антенн довольно затруднительно. В ARRL Antenna Book даются некоторые соотношения для спиральной антенны, но они предназначены для гораздо более низких частотах (и более длинах волн), используемых радиолюбителями. Было определено, что некоторые вариант дают вообще нулевой результат. Если подходить к вопросу творчески, то можно использовать ранее описанное как отправную точку.

Антенна, описанная далее, работает на удивление хорошо, учитывая то, что она не имеет усилителя и не оптимизирована каким-либо другим образом, за исключением того, что она четко рассчитана на частоту GPS сигнала. При использовании двух различных Garmin GPS-45 приемников, можно зафиксировать семь или восемь спутников. В то время, как плоская антенна позволяет зафиксировать от трех до пяти спутников.

Как выглядит антенна?

Устройство спиральной антенны

Сведения о материалах

В качестве рефлектора может быть использован любой общедоступный листовой металл. Испытания, проведенные с использованием алюминия, латуни и нержавеющей стали дали одинаковые результаты. Тонкий алюминиевый лист, доступный в хозяйственных магазинах и магазинах стройматериалов, подходит для использования в качестве рефлектора. Но у него есть один недостаток. Так как данный лист довольно тонкий, могут возникнуть проблемы с монтажом, описанные ниже.

В качестве основы для намотки спирали можно использовать материал, который не требует больших капиталовложений, - старую белую ПВХ трубу диаметром 6 см и длиной 40,6 см. Это соответствует диапазону, в котором работают GPS передатчики. Двухдюймовый желоб для электропроводки имеет те же размеры и также может быть использован в качестве основы для спирали. Он стоит дороже, но смотрится лучше на готовой модели.

Для намотки спирали можно использовать множество различных проводов, имеющих разный диаметр. В большинстве моделей используется стандартный медный провод AWG-16. Использование данного типа провода позволяет получить удовлетворительные результаты.

Разъем антенны может быть использован любой общедоступный (RG58, RG8X). Разъем необходим для того, чтобы иметь возможность в любой момент отсоединить кабель от антенны. Можно также просто припаять кабель к антенне.

Особенности конструкции

1. Подготовить заземление

Необходимо вырезать круг диаметром 19 см из листового металла. В центре круга просверлить отверстие для размещения коаксиального разъема. Если при моделировании припаивать проволочную спираль непосредственно к коаксиальному кабелю, то следует учитывать, что алюминий и нержавеющая сталь трудно паяются. В таком случае лучше использовать латунь или медь. При использовании алюминия и коаксиального разъема Radio Shack припаивать необходимо только центральный контакт разъема. Заземление производится через разъем путем механического соединения.

2. Вырезать основу для спирали

Необходимо отрезать 40,6 см того материала, который был выбран в качестве основы спирали. Если в конец трубы будет заклеиваться для избегания попадания влаги, то необходимо к указанному размеру добавить еще 2-3 см. Предполагается использование пластиковой трубы или желоба для электрического кабеля, наружный диаметр которых равен 19 см. Это необходимо для работы антенны в заданном диапазоне GPS L1. Убедитесь, что край трубы ровный, так как в дальнейшем эта основа будет крепиться перпендикулярно к рефлектору.

3. Сделать разметку для намотки спирали

Для начала необходимо провести линию от одного конца цилиндра до другого (параллельная ось цилиндра). Дале на расстоянии 2,3 см от одного края цилиндра сделать отметку. Отсюда будет начинаться первый виток спирали. От этой отметки до другого конца цилиндра сделать еще 8 отметок на расстоянии 4,75 см друг от друга.

4. Просверлить цилиндр

В крайних отметках просверлить отверстие, используя сверло размером 1/16 дюйма (при условии, что спираль будет изготавливаться из из провода AWG-16).

5. Монтаж основы спирали к заземлению

Для начала необходимо решить, как будет монтироваться к заземлению пластиковый цилиндр. Возможно использование клея, при условии, что это не будет термоклей. В случае использования термоклея антенна распадется под воздействием солнечных лучей. Либо можно использовать винты 4-40. Для этого в базовом конце цилиндра делаются три отверстия на равном расстоянии друг от друга. В них нарезается спираль и вставляются винты 4-40. Для отверстий используется сверло размера 43. После чего необходимо расположить цилиндр в центре вырезанного металлического круга и ударить по нему молотком, чтобы получить углубления в местах, где болты касаются заземления. В этих углублениях просверлить отверстия того же диаметра, что и в трубе.

6. Подключить провода

Если используется предложенный вариант (коаксиальный разъем), то необходимо просто припаять конец провода к центру разъема и вывести его через отверстие в пластиковом цилиндре с внутренней стороны на внешнюю. Если используется другой тип подключения, то необходимо соединить центр коаксиального кабеля, конец спирали и рефлектор.

7. Соединить основу спирали и заземлитель (рефлектор)

Соединение производится с помощью трех винтов 4-40 или клея по желанию.

8. Намотать проволочную спираль

Плотно прижать провод в месте, где он выходит из пластиковой трубы. Плавно и равномерно намотать его на трубу. По мере выполнения каждого витка убедиться, что он точно совпадает со сделанной ранее разметкой. Далее необходимо завести конец провода в сделанное отверстие на конце трубы и загнуть. Обрезать провод необходимо таким образом, чтобы внутри трубы оставалось еще примерно полсантиметра. Это делается для того, чтобы провод крепко держался. Отрегулировав витки так, чтобы они совпадали с разметкой, необходимо нанести на них клей.

9. Подключить антенну к приемнику GPS

Провести тест для правильного функционирования.

10. Приклеить крышку

Приклеить крышку в верхней части трубы, если она была отрезана достаточно длинной, чтобы это было возможно. Использовать можно любую доступную основу.

Согласование сопротивлений

Расчетное сопротивление спиральной антенны равно 26,6 Ом, что не согласуется с сопротивлением коаксиального кабеля (50 Ом). Не смотря на это, антенна будет удовлетворительно работать.

Детали конструкции спиральной антенны GPS