Шостак А.С. Антенны и устройства СВЧ. Часть 2. Антенны (2012), страница 29

8.6,а). Ближайший тип волны Т1 при этом имеет весьма малую амплитуду и вклад этойволны в общее поле излучения незначителен.Когда диаметр витка D спирали лежит в пределах (0,25- 0,45) λ , в антенне преобладает волна Т1, и максимум излучения направлен вдоль оси спирали(рис. 8.6,б). Возникающая при этом в спирали волна низшего типа T0, а такжеволны высших типов Тп при п>1 быстро затухают по длине спирали, и ихвклад в ДН невелик.При дальнейшем увеличении диаметра спирали  D  0,45  в собственной волне Тп определяющей является вторая азимутальная пространственнаягармоника (волна Т2), и ДН приобретает коническую (воронкообразную) форму (рис. 8.6,в).

Угол раскрыва «воронки» зависит от относительного диаметраспирали.Режим осевого излучения  D   0,25...0,45   , когда длина проводавитка спирали примерно равна рабочей длине волны  L    , является основным режимом работы спиральных антенн.В режиме осевого излучения витки спирали излучают весьма интенсивно,благодаря чему к концу спирали практически излучаетсявся подводимая к антеннемощность; отражение от конца спирали отсутствует и вней устанавливается режимбегущей волны.

Фазовая скорость волны T1 при этомменьше скорости света с:vФ  0,8c (рис. 8.7). ДляРисунок 8.7 – Зависимость фазовойобеспеченияскорости различных типов собственкруговой или близкой к ней ных волн от величины ka в цилиндриполяризации поля, а такжеческой спиральной антеннеинтенсивногоизлучениякаждого витка в осевом направлении (ось z, рис. 8.6,б) необходимо, чтобы выполнялось то же условие L   .165Рассмотрим излучение одного витка спирали длиной L=λ с волной Т1.Будем считать виток плоским. Распределение тока в витке спирали подчиняется закону I0e jkLT , где I 0 - ток в начале витка; LT - текущая координата, отсчитываемая вдоль витка.

При длине витка LT = L = λ распределение тока по немуможно представить в виде I0e j . Здесь  - азимутальный угол в плоскостивитка (рис. 8.8,а,б).Рисунок 8.8 – К излучению спирали с волной Т1:а, б) – замена витка спирали горизонтальным и вертикальным излучателями; в) - развертка витка спиралиПусть распределение тока по витку (в момент времени t = 0) соответствует сплошной линии на рис. 8.8,в (виток изображен в развернутом виде).Так как токи вблизи точек а, с, е малы, приближенно можно заменить витокдвумя изогнутыми горизонтальными полуволновыми синфазными излучателями (рис.

8.8,a) с током IХ. Поле излучения витка E поляризовано горизонтально, и максимум ДН ориентирован вдоль оси z витка. Через четверть периода  t  T 4 картина распределения тока сместится на λ/4 в направлении движения бегущей волны (пунктир на рис. 8.8,в). Теперь виток можно прибли-166женно заменить двумя вертикальными полуволновыми излучателями, и полеизлучения будет вертикально поляризовано (рис. 8.8,б). Видим, что за одинпериод колебаний вектор электрического поля повернется в пространстве на360°.

Следовательно, в режиме волны Т1 спиральная антенна излучает полевращающейся (круговой) поляризации с максимумом вдоль оси z антенны.Направление вращения поля соответствует направлению намотки спирали.В реальной спиральной антенне виток лежит не в одной плоскости, аимеет некоторый шаг намотки S (рис. 8.9). Если шаг намотки и диаметр виткавыбраны так, что сдвиг фаз между напряженностями полей, создаваемых первым (№ 1) и последним (№ 2) элементами витка равен 2π; то в направленииоси спирали сохраняется круговая поляризация и максимум излучения:22( 8.1)LS  2 .ЗАМ2ЗдесьS - сдвиг фаз между полями начального иконечного элементов витка, определяемый разно2стью хода лучей;L-ЗАМсдвиг фаз полей указанных элементов, определяемый сдвигом фаз токов этих элементов.Из (8.1.1) следует соотношение между параметрами спирали L и S, соответствующее круговойполяризации,( 8.2)L  S    ,где   c vФ   ЗАМ - замедление волны в спирали.Удовлетворение условию (8.1) при конструировании антенны не обеспечивает максимального значения КНД.

Спиральная антенна - антенна осевогоизлучения с замедленной фазовой скоростью волнытока вдоль оси антенны. В таких антеннах максимальный КНД получается при сдвиге фаз междуполями излучения первого и последнего витков,равном п, т.е. вместо (8.1) должно выполнятьсяусловие22LS  2  ,ЗАМNгде N - число витков спирали.ОтсюдаS      2N L.Рисунок 8.9 – Красчету параметровспирали, обеспечивающих круговуюполяризацию( 8.3)167Таким образом, при соблюдении условия (8.2) в направлении оси антенны получается круговая поляризация, а при соблюдении условия (8.3) - максимальный КНД при некоторой эллиптичности поля излучения.

Поскольку замедление волны ус увеличением длины волны увеличивается (см. рис. 8.7), соотношения (8.2) или (8.3) нарушаются незначительно, и спиральная антеннасохраняет удовлетворительные значения параметров в диапазоне длин волн(0,7-1,2) λ0, где λ0- длина волны, для которой подобраны оптимальные размерыантенны.

При этом значение угла подъема витка спирали a = arcsin(S/L) можетлежать в пределах 12-18°.Если цилиндрическая спиральная антенна обеспечивает режим осевогоизлучения при коэффициенте перекрытия по частоте K П  max min  1,7 , токонические спиральные антенны более широкополосны  K П  2...3 . Так как вконической спирали витки имеют различную длину, на любой частоте рабочего диапазона в спирали имеется группа витков (рабочая область), на каждом изкоторых укладывается примерно одна длина волны типа Т1.

При изменениичастоты рабочая область перемещается вдоль оси спирали. Следовательно характеристики направленности таких антенн определяются не общим числомвитков (или полной длиной спирали), а лишь числом витков в группе с волнойТ1 (длиной этого участка спирали). Излучение остальных витков слабо влияетна общее поле антенны.В многозаходных цилиндрических спиральных антеннах с односторонней намоткой (рис.

8.5,a) при осевом излучении (волна Т1 рабочий диапазондополнительно расширяется  K П  1  M   вследствие подавления в них ближайших низших и высших типов волн.Многозаходная спиральная антенна с двусторонней намоткой (рис. 8.5,б) позволяет управлять поляризацией поля излучения, если число заходов (ветвей)М>2. Так, для волн T1 , обеспечивающих в спиральной антенне режим прямого осевого излучения с правой и левой круговой поляризацией.Более подробные сведения о спиральных антеннах можно найти в [1,2].В заключение отметим, что ширина ДН спиральной антенны с постоянным диаметром витка, ее КНД и входное сопротивление могут быть определены по формуламОбычно число витков антенны не превышает 7-8.

Ширина ДН при этомсоставляет около 40°. Для получения более узких ДН применяют решеткиспиральных излучателей.168СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ1. Устройства СВЧ и антенны / Под ред. Д.И. Воскресенского. Изд. 2–е доп.и перераб. - М.: Радиотехника, 2006. - 376 с.2. Антенно – фидерные устройства и распространение радиоволн: Учебникдля вузов/Г.А. Ерохин, О.В. Чернышев, Н.Д.

Козырев, В.Г. Кочержевский; Под ред. Г.А. Ерохина. – 2–е изд. испр. – М.: Горячая линия - Телеком, 2004. – 491 с.3. Корогодов В.С. Микроволновые устройства. Конспект лекций. - Томск,ТУСУР, 2001 - 191 с.4. Бова Н.Т. Микроэлектронные устройства СВЧ.

– Киев: Техника, 1984.