Спиральные антенны

СОДЕРЖАНИЕ.

1.Режимы излучения спиральной антенны 2

2.Расчетные соотношения для цилиндрической спиральной антенны 5

3.Плоская арифметическая спиральная антенна 8

4.Равноугольная (логарифмическая) спиральная антенна 11

5.Пример расчета цилиндрической спиральной антенны 14

Список использованной литературы 16

1. Режимы излучения спиральной антенны.

1.1. Спиральная анВнтенна представляет собой свернутый в спираль провод (1), который питается через коаксиальный фидер (2) (рис. 1, а). Внутренний провод фидера соединяется со спиралью, а внешняя оболочка фидера тАФ с металлическим диском (3). Последний служит рефлектором, а также препятствует проникновению токов с внутренней на наружную поверхность оболочки фидера. Спираль может быть не только цилиндричеВнской, как на рис. 1, а, но и конической (рис. 1, в) и плоской (рис. 7) или выпуклой.

Рис.1. Спиральные антенны:

а - цилиндрическая; б тАУ развёрнутый виток; в тАУ коническая.

Цилиндрическая спиральная антенна характеризуется следующими геометрическими размерами: радиусом а, шагом s, длиной одного витка, числом витков p, длиной по оси , углом подъема .

Как видно из схемы антенны и изображения развернутого витка спирали (рис. 1, б), между размерами антенны имеются следующие зависимости:

, ,

1.2. Спиральные антенны используются на УКВ в режиме бегущих волн с осевым излучением и вращающейся поляризацией. Такой режим требует определенных соотношений между размерами антенны и длиВнной волны. Выявим эти соотношения.

Ток высокой частоты, проходя но спирали, вызывает излучение электромагнитных волн. Достаточно десяти-одиннадцати витков, чтоВнбы вся подводимая к антенне энергия излучалась в пространство и не происходило отражения волн от конца спирали. Такая бегущая волна тока распространяется вдоль провода спирали с фазовой скоростью , т. е., с замедлением .

Рис.2.Виток спиральной антенны

Волна проходит один виток (от сечения 1 к сечению5 на рис. 2) за время.ЭлектроВнмагнитные волны, возбуждаемые током спирали, распространяются в воздухе со скоростью с и длиной волны.

Если бы все витки сливались, то достаточно было установить время, равным периоду колебаний, т. е., чтобы поля любой пары противоположных элементов (1-3,2-4) спирали совпадали по фазе и полностью складывались в точках оси 0'0", которая равноудалена от контура витка. Это объясняется тем, что в пределах одного витка амВнплитуды тока практически одинаковая, а различие в фазе на угол в диаметрально противоположных сечениях витка (1-3, 2-4) компенсируется противоположным направлением токов в них.

В случае спирали цилиндрической формы с шагом s условие макВнсимального осевого излучения формулируется несколько иначе: за вреВнмя прохождения тока по витку электромагнитная волна должВнна пройти в воздухе расстояние большее, чем длина волны, на шаг s:

; соответственно

(1)

При таком коэффициенте замедления токи в любых двух сечениях, расположенных под углом 90В° (например, в 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4, 4 и 5), вызывают на оси О'О" поля, которые сдвинуты по фазе на 90В°, и волны, которые поляризованы под углом 90В°. В результате сложения этих линейно-поляризованных волн получаются волны с круговой поляризаВнцией.

1.3. Опытным путем установлено, что с увеличением длины волны фазовая скорость уменьшается, а коэффициент замедления увеличивается во столько же раз. Благодаря этому условие осевого излучения (1) поддерживается в широком диапазоне волн:

(рис. 3, а).

Рис.3.ДН цилиндрической спиральной антенны

при различной длине витка спирали

При длине витка набег фазы в 360В° происходит при проВнхождении волной тока нескольких витков спирали. При этом антенна уподобляется электрически малой рамке из N витков провода, которая имеет ДН в виде восьмерки с максимумами излучения в плоскости, перпендикулярной оси спирали (рис. 3, б). Если, то на одном витке спирали укладывается две, три и более волн, а это привоВндит к наклонному излучению и конусной форме пространственной ДН (рис. 3, в).

1.4. Наиболее выгодный режим тАФ осевого излучения, который, как известно, требует длины витка и обеспечивает полосу пропусВнкания . Эта полоса может быть значительно расширена путем перехода к конической антенне (рис, 1, б), в которой участок (2) со средней длиной витка удовлетворяет условию, а крайние участки (1, 3) с большими () и меньшими () длинами витков удовлетворяют аналогичным условиям, но для макВнсимальной и минимальной длин волн рабочего диапазона:

,. В зависимости от раВнбочей длины волны интенсивно излучает только одна из зон спирали и только этой активной зоной определяется острота ДН.

2. Расчетные соотношения для цилиндрической спиральной анВнтенны.

2.1. Чтобы получить максимальный КНД, нужно установить оптимальный коэффициент замедления, при котором в направлеВннии оси спирали 0'0" (рис. 2) поля первого и последнего витков наВнходятся в противофазе. Иначе говоря, необходимо дополнить условие (1) задержкой волны тока спирали на полупериод Т/2, а в каждом витке ее тАФ на :

Отсюда находим оптимальный коэффициент замедления вдоль провода спирали:

, (2)

При этом, правда, получается эллиптическая поляризация, но так как, то коэффициент весьма незначительно отВнличается от и полученную поляризацию можно считать круговой. Полагая = 1,2 .. 1,3, определим из выражения (2) угол подъема спирали, соответствующий оптимальным условиям работы антенны

Отсюда

, (3)

Длина спирали подбирается в соответствии с оптимальным коВнэффициентом замедления вдоль оси спирали. При =1,2тАж1,3 имеем, что соответствует углу подъема спирали =12 .. 16В° и числу витков р = 5 .. 14.

2.2. Рассматривая каждый виток спирали как элементарный излуВнчатель с фазовым центром на оси 0'0", определяем функцию направленВнности антенны как произведение функции направленности одного витка на множитель решетки из р элементов. Так как р велико, а направленность одного витка мала, то принимаем. В резульВнтате имеем

(4)

Угол , как и прежде, отсчитывается от перпендикуляра к оси линейВнной решетки.

2.3. Для спиральных антенн оптимальных размеров опытным путем установлены следующие формулы:

ширина диаграммы направленности

, (5)

коэффициент направленного действия

, (6)

входное сопротивление

, (7)

2.4. Итак, цилиндрические и конические спиральные антенны широкополосные с осевым излучением волн круговой поляризации. Направленность цилиндрических спиралей средняя, а конических тАФ ниже средней (не вся спираль участвует в излучении на данной частоВнте), но последние обладают большей диапазонностью. Применяются и те и другие как самостоятельные антенны в диапазонах дециметровых а метровых волн, а также как облучатели антенн сантиметровых волн.

3. Плоская арифметическая спиральная антенна.

3.1. В процесВнсе развития радиотехники все больше требуются антенно-фидерные устройства, рассчитанные на работу в очень широком диапазоне чаВнстот и притом без всякой перестройки. Частотная независимость таких антенно-фидерных устройств основана на принципе электродинамичеВнского подобия.

Этот принцип состоит в том, что основные параметры антенны (ДН и входное сопротивление) остаются неизменными, если изменение длиВнны волны сопровождается прямо пропорциональным изменением лиВннейных размеров активной области антенны. При соблюдении данного условия антенна может быть чаВнстотно-независимой в неограниченВнном диапазоне волн. Однако размеВнры излучающей структуры конечВнны и рабочий диапазон волн люВнбой антенны тоже ограничен.

Из этой группы антенн рассмотВнрим плоские арифметические и равноугольные спирали и логарифВнмически-периодические антенны.

Рис.4. Арифметическая спираль

3.2. Арифметическая спираль выВнполняется в виде плоских металлиВнческих лент или щелей в металлиВнческом экране (рис. 4). УравнеВнние этой спирали в полярных координатах

где тАФ радиус-вектор, отсчитываемый от полюса О; а тАФ коэффициент, характеризующий приращение радиус-вектора на каждую единицу приращения полярного угла ; b тАФ начальное значение радиус- вектора.

Спираль может быть двухзаходной, четырёхзаходной и т. д. Если спираль двухзаходная, то для ленты (щели) /, показанной штриховыВнми линиями, угол отсчитывается от нуля, а для ленты //, показанной сплошными линиями, тАФ от 180В°, т. е. спираль образована совершенно идентичными лентами, повернутыми на 180В° друг относительно друга.

Начальные точки ленты / соответствуют радиус-векторам, которые обозначим и . Следовательно, ширина ленты. Описав один оборот, лента занимает полоВнжение D, в котором радиус-вектор больше начального на. На этом отрезке ВD размещаются две ленты и два зазора, и если ширина их одинаковая, то, Отсюда определяем коэффициент.

3.3. Питание спирали может быть противофазным, как на рис. 4, или синфазным. В первом случае токи через зажимы А, В, соединяюВнщие ленты с фидером, имеют противоположные фазы. Путь тока в ленВнте / больше, чем в ленте //, на полвитка. Например, в сечении СD лента // попадает, описав полвитка, а лента / тАФ один виток, в сечение ЕFтАФсоответственно полтора и два витка и т. д. Поскольку длина витка по мере развертывания спирали возрастает, увеличивается расВнхождение фазы токов в лентах. Обозначив средний диаметр витка находим сдвиг по фазе, соответствующий длине полувитка:

Если к этому прибавить начальный сдвиг, равный , то получим результирующее расхождение по фазе токов в смежных элементах двухпроводной линии

За счет второго слагаемого угол отличен от , а в таких условиях электромагнитные волны излучаются, даже если зазор между лентами мал по сравнению с длиной волны.

Интенсивно излучает только та часть спирали, в которой токи смежВнных элементов обеих лент совпадают по фазе:

Подставляя , находим, что средний диаметр первого ВлрезонансВнногоВ» кольца , а периметр этого кольца .СредВнний диаметр и периметр второго (k=2), третьего (k=3) и т. д. ВлреВнзонансныхВ» колец соответственно в три, пять, .. раз больше. Так как излучение радиоволн спиралью вызывает большое затухание тока от ее начала к концу, то интенсивно излучает только первое резонансное кольцо, а остальная, внешняя часть спирали как бы ВлотсекаетсяВ» {явление отсечки излучающих токов}.

3.4. Активная часть спирали представляет наибольший интерес и по другой причине. Затухание тока, вызванное излучением, настолько велико, что отражение от конца спирали практически отсутствует, т. е. ток в спирали распределяется по закону бегущих волн. К тому же пеВнриметр первого резонансного кольца равен длине волны . В таких условиях, как показано в п. 1, происходит осевое излучение с вращаюВнщейся поляризацией, которое в данном случае наиболее желательно.

Диаметр спирали должен быть достаточно велик, чтобы на максиВнмальной волне диапазона сохранилось первое ВлрезонансноеВ» кольцо (),а с уменьшением длины волны это кольцо должВнно сжиматься до тех пор () , пока оно еще может полностью размеВнститься вокруг узла питания. Тогда в пределах отношеВнние среднего периметра первого ВлрезонансногоВ» кольца к длине волны остается постоянным и тем самым выполняется основное условие сохранения направленных свойств антенны в широком диапазоне волн Правда, направленность арифметической спирали невелика (60 .. 80В°), поскольку в излучении волн участвует, по существу, только та часть спирали, которая имеет средний периВнметр, равный .

Второе условие получения диапазонной антеннытАФпостоянство входного сопротивления тАФ достигается здесь тем, что спираль раВнботает в режиме бегущей волны тока. Это сопротивление активное (100тАФ200 Ом). При питании от коаксиального фидера ( Ом) согласование производят ступенчатым или плавным трансформатором.

3.5. Спираль излучает по обе стороны своей оси. Чтобы сделать анВнтенну однонаправленной, ленточную спираль помещают на диэлектриВнческой пластине толщиной , другую сторону которой металлизиВнруют. Если же спираль щелевая, то ее вырезают на стенке металличеВнского короба; тогда противоположная стенка короба играет роль отраВнжающего экрана, а сам короб является резонатором. Чтобы уменьшить его глубину, короб заполняют диэлектриком.

Одна из типовых спиралей имеет диаметр 76 мм, выполнена на плаВнстине из эпоксидного диэлектрика, снабжена резонатором глубиной 26 мм, работает в диапазоне волн 7.5 .. 15 см при , ширине диаграммы направленВнности 2' = 60.. 80В° и коэффициенте эллиптичноВнсти в направлении максиВнмума главного лепестка менее 3 дБ, т. е. практичеВнски поляризацию можно считать круговой. Плоские спиральные антенны удобВнно изготовлять печатным способом на тонких листах диэлектрика с малыми потерями на высоких частотах.

4. Равноугольная (логарифмическая) спиральная антенна.

4.1. Широкодиапазонность антенн такого вида основана на том, что если отношение линейных размеров излучателя к длине волны остаВнется постоянным и излучающая структура полностью определяется ее полярными углами, то направленность антенны оказывается абсолютно независимой от частоты.

Рис.5. Логарифмическая спираль

Равноугольная спираль (рис. 5) строится в полярных координаВнтах по уравнению

где тАФ радиус-вектор в начале спирали (); а тАФ коэффициент,

определяющий степень увеличения радиус-вектора с увеличением полярного угла .

Двухзаходная спираль образуется двумя проводниками или щеляВнми, но в отличие от архимедовой спиральной антенны толщина их неВнпостоянна и возрастает с увеличением угла . Пусть начальный радиус-вектор на внутренней границе 1-го проводника равен и на внешней. Тогда уравнениями граничных спиралей являются

(8)

. (9)

4.2. Для оценки диапазонности логарифмической спирали исследуем зависимость отношения от угла . Числитель дроби ,а так как ,

то знаВнменатель дроби и искомое отношение ,(10)

где . Следовательно, изменение длины волны вызывает только смещение активной области спирали на некоторый угол , а отношение и направленное действие антенны от этого не меняются. Если бы спираль была бесконечной, то диапазонность антенны была безграничной, но реальная антенна имеет конечнуюдлину и эффективно работает в ограниченном, хотя и очень широком диапазоне волн ,причем определяется максимальной длиной спирали, а тАФ минимальныВнми размерами узла питания.

4.3. Логарифмическая спираль работает в режиме бегущих волн (вследствие излучения ток затухает к концу спирали), и ее входное сопротивление Ом.

Рис.6. Щелевая плоская логарифмическая спиральная

антенна

Типовая щелевая логарифмическая спираль (рис. 6) имеет макВнсимальную длину ветви 42,3 см, начальный радиус 0,51 см и коэффиВнциент = 0,303. Антенна излучает волны с вращающейся поляризаВнцией в диапазоне см и не превышает двух при питаВннии спирали от 50-Ом коаксиального кабеля. Параметры антенны наВнходятся в допустимых пределах даже при двадцатикратном изменении длины волны.

5.Пример расчета спиральной цилиндрической антенны.

Для построения диаграммы направленности антенны, пользуясь экспериментальными данными исследования спиральных антенн [1.Рис.1.3.XXV.], вычисляю по формулам (4) тАУ (7) функцию направленности антенны.

Учитывая:

подставим все значения в формулу (4):

Используя приложение тАЭMathCAD 7 professionalтАЭ получил следующий вид диаграммы направленности антенны:

По формуле 5 рассчитываю ширину диаграммы направленности:

21.586.

Коэффициент направленного действия :

70.768.

Входное сопротивление:

Итак, цилиндрические и конические спиральные антенны широкополосные с осевым излучением волн круговой поляризации. Направленность цилиндрических спиралей средняя, а конических тАФ ниже средней (не вся спираль участвует в излучении на данной частоВнте), но последние обладают большей диапазонностью. Применяются и те и другие как самостоятельные антенны в диапазонах дециметровых и метровых волн, а также как облучатели антенн сантиметровых волн.

Список использованной литературы.

1.Айзенберг Г.З. Антенны ультракоротких волн . ВлСвязьиздатВ»,М.1957.700 с

2.Лавров А.С.,Резников Г.Б. Антенно-фидерные устройства. ВлСов.радиоВ»,М.,1974,368 с.

3.Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны.В 2-х ч.

Ч. 2.Антенны-М.:Радио и связь,1983-296с.

Вместе с этим смотрят:

Способ определения живучести связи
Спутниковое телевидение
Спутниковые мультисервисные системы и цифровые РРЛ
Спутниковые системы обеспечения безопасности мореплавания