109032 (Спиральная антенна)

Спиральная антенна

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 ан­тенна 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 — с металлическим диском (3). Последний служит рефлектором, а также препятствует проникновению токов с внутренней на наружную поверхность оболочки фидера. Спираль может быть не только цилиндриче­ской, как на рис. 1, а, но и конической (рис. 1, в) и плоской (рис. 7) или выпуклой.

Рис.1. Спиральные антенны:

а - цилиндрическая; б – развёрнутый виток; в – 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 дли­ной волны. Выявим эти соотношения.

Т ок высокой частоты, проходя но спирали, вызывает излучение электромагнитных волн. Достаточно десяти-одиннадцати витков, что­бы 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 .Электро­магнитные 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 ам­плитуды 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 мак­симального осевого излучения формулируется несколько иначе: за вре­мя прохождения тока по витку электромагнитная волна долж­на 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 90° (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 90°, и волны, которые поляризованы под углом 90°. В результате сложения этих линейно-поляризованных волн получаются волны с круговой поляриза­цией.

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 360° происходит при про­хождении 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 приво­дит к наклонному излучению и конусной форме пространственной ДН (рис. 3, в).

1.4. Наиболее выгодный режим — осевого излучения, который, как известно, требует длины витка и обеспечивает полосу пропус­кания . 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 мак­симальной и минимальной длин волн рабочего диапазона:

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

2. Расчетные соотношения для цилиндрической спиральной ан­тенны.

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

.

Отсюда находим оптимальный коэффициент замедления вдоль провода спирали:

, (2)

При этом, правда, получается эллиптическая поляризация, но так как , то коэффициент весьма незначительно от­личается 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 ко­эффициентом замедления вдоль оси спирали . При =1,2…1,3 имеем , что соответствует углу подъема спирали =12 ... 16° и числу витков р = 5 ... 14.

2.2. Рассматривая каждый виток спирали как элементарный излу­чатель с фазовым центром на оси 0'0", определяем функцию направлен­ности 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 резуль­тате имеем

(4)

Угол , как и прежде, отсчитывается от перпендикуляра к оси линей­ной 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 — ниже средней (не вся спираль участвует в излучении на данной часто­те), 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 процес­се развития радиотехники все больше требуются антенно-фидерные устройства, рассчитанные на работу в очень широком диапазоне ча­стот и притом без всякой перестройки. Частотная независимость таких антенно-фидерных устройств основана на принципе электродинамиче­ского подобия.

Этот принцип состоит в том, что основные параметры антенны (ДН и входное сопротивление) остаются неизменными, если изменение дли­ны волны сопровождается прямо пропорциональным изменением ли­нейных размеров активной области антенны. При соблюдении данного условия антенна может быть ча­стотно-независимой в неограничен­ном диапазоне волн. Однако разме­ры излучающей структуры конеч­ны и рабочий диапазон волн лю­бой антенны тоже ограничен.

И з этой группы антенн рассмот­рим плоские арифметические и равноугольные спирали и логариф­мически-периодические антенны.

Рис.4. Арифметическая спираль

3.2. Арифметическая спираль вы­полняется в виде плоских металли­ческих лент или щелей в металли­ческом экране (рис. 4). Уравне­ние этой спирали в полярных координатах

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

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

Начальные точки ленты / соответствуют радиус-векторам , которые обозначим и . Следовательно, ширина ленты . Описав один оборот , лента занимает поло­жение 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, соединяю­щие ленты с фидером, имеют противоположные фазы. Путь тока в лен­те / больше, чем в ленте //, на полвитка. Например, в сечении СD лента // попадает, описав полвитка, а лента / — один виток, в сечение ЕF—соответственно полтора и два витка и т. д. Поскольку длина витка по мере развертывания спирали возрастает, увеличивается рас­хождение 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