Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ (1988) (1095425), страница 57
Текст из файла (страница 57)
Микрополосковые антенны могут быть легко приспособлены для излучения волн с круговой поляризацией. В квадратных излучателях для этого необходимо возбудить в резонаторе колебания двух ортогональных линейных поляризаций с равной амплитудой и взаимным фазовым сдвигом -+-и/2, В конструкции рнс, 10.18,а для этого используется 3-дБ квадратурный направленный ответвитель, отдельные и развязанные входы которого соответствуют излучению волн с правым или левым вращением вектора поляризации. В конструкции рис, 10.18, б точка питания располагается в угле пластины, а размеры сторон пластины несколько отличаются. Вследствие этого резонансные частоты антенны для двух ортогональных линейных поляризаций оказываются выше и ниже рабочей частоты, при'- чем разницу между частотами выбирают исходя из необходимости получения фазового сдвига 90' между колебаниями двух линейных поляризаций.
В конструкции рис. 10.18, в питающая линия возбуждает в микрополосковом резонаторе колебания, соответствующие излучению линейной поляризации. Колебания с ортогональной линейной поляризацией возбуждаются с помощью щели, прорезанной наклонно в металлической пластине антенны. !Цель связи вызывает «расщепление» резонансных частот для двух линейных поляризаций, и при правильном подборе этого «расщепления» удается вы- полнить условия излучения круговой поляризации на средней частоте.
В настоящее время происходит интенсивное становление теории и совершенствование технологии микрополосковых антенн, отличающихся большим разнообразием конструкций и пригодных для дхгд! дхгдд дход дход а! а! д! Рнс. 18.18. Способы полученнп круговой полпрнааннн а мнкрополоскоаык антеннах применений в качестве как самостоятельных антенн, так и элементов антенных решеток. Освоенный диапазон частот микрополосковых антенн простирается от 300 МГц до 20 ГГц. Основными направлениями исследований являются создание надежных методов автоматизированного проектирования микрополосковых антенн, объединенных с питающими трактами, совершенствование конструкций излучателей и антенных решеток, расширение рабочей полосы частот, повышение КПД н продвижение в диапазон миллиметровых волн.
5 10.8. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЧАСТОТНО-НЕЗАВИСИА1ЫХ АНТЕНН К частотно-независимым антеннам относят слабонаправленные излучатели, способные работать в диапазоне с отношением верхней н нижней граничных частот о:1 и более, при сохранении хорошего качества согласования входа и при не слишком сильном изменении формы ДН. Потребность в таких антеннах возникает прн создании широкополосных систем связи, систем радиоразведни и радиопротиводействия. В понимании механизма действия частотно-независимых антенн основным является принцип электродинамического подобия. Этот принцип устанавливает идентичность ДН и входных сопротивлений двух различных антенн без потерь на частотах от~ и ым если форма этих антенн одинакова (рис. 10.19), а соответствующие размеры обратно пропорциональны отношению частот Ь|/Ая=ыя/ыь Такие антенны с одинаковыми размерами в длинах волн называют элекгродинамически подобны.ни. Выполнить единственную антенну так, чтобы она оставалась в строгом смысле злектродинамически подобной самой себе на различных частотах, можно лишь в том случае, если ее форма определяется только угловыми размерами.
Простейший пример — бесконечно длинный вибратор с плечами конической формы. Другие Рис. 10.19. Элентродинамически подобные вибраторные ан- тенны Рнс. 1020. Бесконечные структуры, определяемые угловыми раамерамн: о — папская: б — па кокпааскоа поаапано- формы структур, задаваемых в сферических координатах параметрическим уравнением Й=й(0, ср) и определяемых только угловыми размерами, можно найти, решая уравнение Л'к(0. Ч) =к(0', ср ).
Это уравнение предполагает, что первоначальная форма антенны д(0, ср) после увеличения масштаба по радиусу в К раз совпадает с исходной формой, повернутой в пространстве. К числу решений принадлежат, например, пространственные эквиугловые спирали, ЗадаВаЕМЫЕ ПараМЕтрИЧЕСКИМ ураВНЕНИЕМ 1С(0, Ср) =Ежа+" 1Т(0), где Т(0) — произвольная функция, в частном случае — константа. Пример плоской бесконечной эквиугловой структуры, образуемой парой металлических плеч, показан на рис. 10.20, а. Края плеч определяются уравнениями эквиугловых спиралей р(~р) = =А ехр а(ср+сре), где А и «ре — постоянные величины, определяющие масштаб по координате р и первоначальный угол поворота плеча, а параметр а равен котангеису угла т между радиусом н касательной к спирали.
Вблизи центра плечи структуры обрезают и в образовавшийся зазор подводят возбуждающее напряжение. Заметим, что пространственные структуры из эквиугловых спиралей можно создавать, располагая металлические плечи по поверхности конуса (рис. 10.20, б). Замечательной особенностью как плоских, так и пространственных эквиугловых спиральных структур является своеобразная ав- томатическая отсечка излучающих токов. Это явление состоит в том, что амплитуды токов, возникающих в спиральных плечах под действием генератора, резко уменьшаются (в 100 раз и более) после прохождения витка спирали, периметр которого примерно равен длине волны. Остающаяся невозбуждениой внешняя часть структуры может быть отброшена, и это почти не сказывается на ДН антенны н входном сопротивлении.
Явление отсечки токов впервые было обнаружено экспериментально и впоследствии подтверждено с помощью электродинамических расчетов. Вследствие отсечки юков в излучении эквиугловой спиральной структуры конечных размеров участвует только центральная часть с днаметром, примерно равным ЦЗ (так называемая активная область). При изменении частоты электрические размеры активной области остаются постоянными и в результате возможно создание Рпе 1 ба 1 К по антенн с почти постоннным вхоДным сопротивлеяепеппю прппцппп инеи и мало меняющейся ДН в 1О-кратном н дапопоппптельпоетп же большем диапазоне частот.
Нижняя граница рабочего диапазона определяется нз условия равенства длины волны периметру последнего витка структуры. Верхняя граница рабочего диапазона определяется соизмеримостью с длиной волны размеров области возбуждения антенны, где геометрия спиральных линий оказывается нарушенной из-за наличия соединения с линией питания антенны. При создании плоских спиральных эквиугловых антенн, а также в ряде других случаев положительное значение имеет еще одно обстоятельство, связанное с принципом перестановочной двойственности.
Дело в том, что плоская структура, определяемая угловыми размерами, может одновременно трактоваться и как электрическая (внбраторная), и как магнитная (щелевая) излучающая система. Обозначим ее входное сопротивление через У~ и заметим, что согласно принципу двойственности при взаимной замене металлической и щелевой частей структуры ее сопротивление изменяется и принимает значение Йт, определяемое, согласно (9.17), формулой А=2~9(4Л~) = (60п)9Яь При совпадении формы электрической и дополнительной магнитной частей структуры имеет место равенство А=2, и входное сопротивление оказывается равным Й~=Й= =60п Ом на любой частоте.
Простейший пример выполнения этого условия показан на рис. 10.21. Итак, можно сформулировать следующие принципы создания частотно-независимых антенн: 1) в антенне должно выполняться условие автоматической отсечки излучающих токов, гарантирующее постоянство электрического размера излучающей части антенны,— принцип отсечки токов; 2) форма антенны должна определяться в основном угловыми размерами; 3) Форма щелевой части плоской антенны должна совпада формой вибраторной части (принцип дополнительности). Первостепенное значение принадлежит принципу отсечки токов. Нарушение второго и третьего принципов в реальных антеннах не обязательно приводит к заметному ухудшению частотных свойств.
а $06. чАСТОтнО-ИЕЗАВНСНМые спИРАльные Антенны На рнс. 10.22 изображена простейшая плоская днапазонная антенна, плечи которой ограничены четырьмя логарифмическими спиралямн: Рг А ехр (сгт)~ Рз М~рг Рз А ахр )и тт пй Р4 МРз' Питание такой антенны, прорезанной в металлическом листе больших размеров, осуществляется с помощью гибкого коансиаль- Рнс. 10.23. Плоская днухзаходная спираль Архимеда Рнс. 10.22. Экануглоная спи- ральная антенна ного кабеля, проложенного вдоль одного из плеч. При числе витков 1,5 — 2,5 ДН антенны состоит нз двух широких лепестков, максимумы которых перпендикулярны плоскости антенны. Излученное поле в главных направлениях имеет в рабочем диапазоне частот 20:! эллиптическую поляризацию с коэффициентом эллиптичности не менее 0,5. Так как изменение частоты для такой антенны эквивалентно ее повороту в пространстве вокруг оси, перпендикулярной плоскости листа, то ширина лепестков не остается постоянной а периодически изменяется в пределах 40 — 50' во всем рабочем диапазоне частот.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
