L6_317-323 (Линии передачи СВЧ-диапазона, В.М. Максимов)

'в направлении оси д поле будет обладать круговой поляризацией, в плоскости расположения шелей — линейной, во всех других направлениях — эллиптической. Крестообразные шели в волноводе обладают весьма интересными свойствами. При приеме эллиптически поляризованная волна расщепляется ими на две волны с круговой поляризацией правого и левого направления вращения. Волна правого врашения распространяется по волноводу в одном направлении, а левого — в про.

Г тивоположном. Если отраже- Г ния на концах волноводов отсутствуют, то показания прибора (при квадратичной его., характеристике) на одном конце волновода будут пропорциональными мощности волны правпго вращения, а О на другом — мощности волны л левого вращения. На базе крестообразных щелей строят- Рис. ХУЛО. Крестообразные шели иа широся анализаторы полярпза- иоя стеиие волиоволв. ционной структуры поля. Креспюбразные шели представляют для волновода почти полностью согласованную нагрузку. Если длины их выбраны резонансными (21 = А/2), то такие шели излучают не менее 75% мощности, распространяющейся по волноводу. ХЧ.З. СПИРАЛЪНЫЕ АНТЕННЫ Для создания поля с вращающейся поляризацией в диапазоне метровых и дециметровых волн широкое применение находят спираль,ные антенны, Некоторые типы таких антенн рассмотрены ниже.

а) цилиндрическая спиральная антенна (рис. ХЧ.11, а) состоит из проволочной спирали 1 и плоского металлического экрана 2, Для питания спирали используется коаксиальный фидер 3, центральная жила которого подключается к проводу спирали, а наружная оболочка присоединяется к экрану. Металлический экран препятствует затеканию тока на внешнюю поверхность коаксиального фидера н, кроме того, выполняет роль рефлектора, ослабляющего излучение в заднюю полусферу.

Цилиндрическая спираль, показанная на рис. ХЪ'.11, может быть охарактеризована следующими размерами: длиной витка 7., шагом 5, длиной 1 (1 = л5, и — число витков) и диаметром О. Направленные свойства такой антенны зависят от соотношения между ее размепами и длиной волны. 1. Когда длина волны существенно превосходит диаметр витков пирали (А ) 6В), каждый виток можно приближенно принять за плосую элементарную рамку.

При этом антенну можно рассматривать как совокупность плоских рамок и электрических диполей, оси которых 317 параллельны оси спирали. Диаграмма направленности такой антенн в плоскости, совпадающей с осью спирали, имеет вид восьмерк (рии. ХЧ.12, а), а в плоскости, перпендикулярной оси спирали, пред ставляет собой окружность.

Ввиду того, что сопротивление излучени оказывается малым и к. п. д. получается низким, спиральные антеи ны малых размеров, как правило, на практике не используются. еоаебертка Зиткй спирал(е Рис. ХЧ,11. Цилиндрическая спиральная антенна (а); развертка. витка спирали (б). По мере укорочения волны направленные свойства антенны и характер излучаемого поля меняются. 2. Когда длина волны становится примерно равной длине витка Я„~ ))~ картина распространения волны вдоль провода спирали качественно меняется. Фазовая скорость распространения волны ) а Рис, ХУЛ2. диаграммы направленности спиральной антенны при Х)6)З (а); прн )ь и0 (б); при Х(20 (а), о, ранее примерно равная скорости света с, резко падает до значения примерно (0,7 — 0,8) с, а при дальнейшем укорочении волны плавно растет, снова приближаясь к скорости света.

При достаточно большой длине антенны в проводе спирали возникает режим, близкий к режиму бегущих волн. Если при этом шаг спирали лежит в пределах от 0,15 до 0,3)ь, то максимум диаграммы направленности оказывается ЗИ ориентированным вдоль оси спирали (рис. ХН.12, б), поле в направлении оси спирали обладает поляризацией, близкой к круговой, а в других направлениях поляризация поля получается эллиптической. Входное сопротивление антенны оказывается достаточно большим (примерно 150 Ом) и почти чисто активным.

Такой режим работы, называемый режимом осевого излучения, имеет место в весьма широкой полосе частот Д„,„с//„„к ж 1,7). Спирали в режиме осевого излучения находят широкое применение в качестве антенн с вращающейся поляризацией. 3. При дальнейшем укорочении волны (Х ( 2Р) излучение вдоль оси спирали падает, но возникают два максимума под острыми углами к оси спирали (рис. ХН.12, в). Рис.

ХУ.13. Приближенное преддля понимания принципа действия ссввленне пилнндрн вской сви- рели в виде совокупности плоспиральной антенны в режиме осевого ск в ов и ивяных вибрвизлучения представим ее как совокуп- торов. ность плоских круглых витков и линейных электрических вибраторов длиной 5 (рис. ХН.13). Вибраторы вдоль оси спирали не излучают, а их излучением в других направлениях в первом приближении можно пренебречь по сравнению с излучением витков: так как длина плоского витка Е = Х, а длина линейного вибратора Я = Х/4, то очевидно, что излучение витка будет значительно более интенсивным. Рассмотрим излучение одного витка, полагая при этом, что ток вдоль витка распределяется по закону !~ = !и ехр ( — !к!), (Х Н.17) где ! — расстояние, отсчитываемое вдоль витка. Это выражение, соответствующее бегущей волне, можно представить двумя стоячими волнами, сдвинутыми по фазе на и/2, в виде (ХН.18) !, = !и соз к! — !'!и з1 и к!.

Амплитуда первой из этих волн меняется вдоль витка по закону косинуса, а второй — по закону синуса (рис. ХН.14). Ввиду этого виток можно рассматривать как четыре изогнутых полуволновых вибратора.„ Поля, излучаемые верхним и нижним вибраторами (рис. ХНЛ4,а), складываются синфазно в плоскости уОг. Так как, кроме того, максимум излучения каждого из вибраторов лежит в плоскости хОг, то в направлении оси г поле витка принимает максимальное значение.

При этом суммарное поле оказывается поляризованным горизонтально. Поля, излучаемые правым и левым вибраторами (рис. ХНЛ4, 6), также дают максимум в направлении оси г, но поляризация суммарного поля оказывается вертикальной. Так как между стоячими волнами ( рис. ХН. 14, а и б) имеет место сдвиг по фазе, равный и/2, то излучаемое в направлении оси г плоским витком поле будет обладать кру- 319 говой поляризацией. Под некоторым произвольным углом к оси г поле будет иметь эллиптическую поляризацию, а в плоскости витка (плоскости хОу) поляризация будет линейной.

Рассмотренная картина излучения витка спирали приближенно справедлива в случае, когда в проводе спирали устанавливается режим, близкий к режиму бегущих волн. Последнее может иметь место лишь при малых отражениях от конца спирали. Исследования показали, что при большом числе витков (н ) 3) отраженная от конца спи» рапи волна мала и ею можно пренебречь. Интенсивное излучение энергии в окружающее пространство, сопровождагощее движение волны рнс, ХН рй Представление витка в виде двух иолукруглых горизонтальных (а) и двух вертвквльных (б) волуволновых вибрвторов вдоль провода спирали, приводит также и к ограничению максимального числа витков. Установлено, что увеличение числа витков сверх одиннадцати не приводит к сколько-нибудь существенному обострению диаграммы направленности: энергия волны расходуется на излучение в первых 11 витках и последующие витки <не питаются». Таким образом, число витков спирали и следует выбирать в пределах от 4 до 11.

Полага>г для приближенного анализа, что амплитуда бегущей волны вдоль провода спирали не меняется, диаграмму направленности спиральной антенны можно представить произведением диаграммы направленности одиночного витка на множитель решетки. В области малых значений угла 9 выражения для диаграмм направленности одиночного витка с бегущей волной можно приближенно записать в виде Р|в (9) соз 9, Р ~,„(9) 1, (ХН.19) где Ргв (9) — нормированная диаграмма направленности меридианальной составляющей поля; Р, и (9) — нормированная диаграмма направленности азимутальнои составляющей поля.

зхо Из формул (ХН.19) видно, что одиночный виток характеризуется слабой направленностью и концентрация излучаемой энергии вдоль оси спирали получается, очевидно, за счет близкого к синфазному сложения полей витков в этом направлении. Поэтому можно считать, что диаграмма направленности спирали определяется множителем решетки (рис.

ХН.15) /„(О) = з!п ~ — (кЯ сов Π— ф)~ ~ зйп ~ — (к5 сов Π— чР)), (ХН.20) чр = — 1., 2л кон где Х,н — длина волны в проводе спирали. Приравнивая выражения (ХН.21) и (ХН.22), получим условие синфазного сложения полей вдоль оси спирали в виде д/) + ! = /./1.,„, (ХН.23) откуда /. = (5 + к)/$, (ХН.24) где $ = 2/3,, — коэффициент укорочения волны.

Так как в цилиндрических спиральных антеннах $ имеет значение от! до 1,4, то длина витка /. в режиме осевого излучения должна быть примерно равной длине волны к. С учетом (ХН.22) и (ХН.24) формулу (ХН.20) можно привести к виду Р (О) =з!п! — "' ($/.— 8созО)1/ пайп ! — '(~Š— 5созО)1. (ХН.25) к 1/ 12 11 зкк. чек где п — число витков; 5 — расстояние между соседними витками; Π— угол, отсчитываемый от оси спирали; ф — сдвиг по фазе между токами в соседних витках. В режиме осевого излучении сложение полей отдельных витков в направлении оси спирали доллсно быть близкил1 к синфазному. Для того чтобы это могло иметь место, ток в каждом последующем витке должен отставать по фазе от тока в предыдущем' на угол: 2к ф = —" Я+2п.