Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ (1988) (1095425), страница 58
Текст из файла (страница 58)
Коэффициент стоячей волны в 50-Ом коаксиальной линни на любых частотах рабочего диапазона не превышает 2,0. Изменение параметров а н М не оказывает значительного влияния на диапа- зонные свойства антенны и приводит лишь к изменению среднего значения входного сопротивления. Экспериментально установлено, что хорошие результаты получаются при а=0,30 и М=0,62. Определенными недостатками эквиугловых спиральных антенн являются сложность формы и заметное «плавание» параметров прн изменении частоты. Эти недостатки преодолены в плоских архиме- ла аг аат г г Рнс. 10.24. Прогнаофазное (а) н сннфазное (б) нозбумденне ар- хннедонсннх сонральних антенн довских спиральных антеннах, построенных на основании принципа автоматической отсечки тока. Такие антенны проще по форме, а главное в их параметры являются более стабильными в диапазоне частот.
Здесь рассмотрим простейшие антенны на основе двухзаходных спиралей Архимеда, хотя на практике число заходов может быть увеличено до четырех н более. Плечи плоской двухзаходной спирали Архимеда описываются уравнениями р>(~р)=а~р+Ь, рз(~р) =а(нь — я)+Ь, где р, ~р — полярные координаты; а и Ь вЂ” постоянные величины. Антенна выполняется из двух проводников, которые, в частности, могут иметь плоскую форму и выполняться печатным способом на тонком листе высокочастотного диэлектрика (рис.
10.23). Расстояние между проводниками Лр и ширина проводников Ь постоянны по углу <р, причем обычно расстояние между проводниками берется равным ширине проводников (принцип дополнительности). Возможны два режима возбуждения антенны. "иротивофазмый и синфазный. В противофазном режиме начальные точки спиралей А и В присоединяются к двухпроводной линии или же возбуждаются коаксиальные кабелем„проложенным вдоль одного из плеч. Направления токов в начальных точках спирали показаны на рис. 10.24,а.
В синфазном режиме начальные точки спиралей 1 замы- каются между собой н присоединяются к внутреннему проводнику коаксиального кабеля 2 (рис. 10.24, б). Наружный проводник кабеля присоединяется к противовесу в виде плоской металлической шайбы. Противовес может выполняться печатным способом на обратной стороне диэлектрического листа 3, несущего спиральные проводники. Центральная часть синфазной антенны вместе с противовесом представляет собой распределитель в виде несимметричной полосковой линии и в излучении не участвует. Направления токов в начальных точках спиралей при синфазном возбуждении показаны на рис. 10.24, б.
Рассмотрим с физических позиций механизм образования излучения архимедовских спиральных антенн. В первом приближении антенну можно рассматривать как двухпроводную линию„свернутую в спираль. Предположим, что на каждом проводнике спирали имеется бегущая волна тока, причем расстояние между проводниками Лр~Х. Выясним фазовые соотношения токов в проводниках спирали при двух режимах возбуждения.
Вротнао4шзное возбуждение. Пусть и начальных точках спирали (см, рис. 10.23) фазы токов равны: Фх=п и Фа — — О. Выделим две ~очки спирали, расположенные на разных ветвях, на одинаковых расстояниях 1 от точек А и В. Запаздывание фазы в этих точках по отношению к А и В одинаково и равно й(, и, следовательно, фазы токов в точках Р и Я: Фг= — в(+и, Фо= — р(. Пусть точки Р и Ц лежат на окружности радиуса р. Рассмотрим точку Р', соседнюю с точкой Р, но лежащую на другом проводнике спирали. Дополнительное запаздывание фазы в точке Р' по отношению к точке 9 при Лр«Х приближенно составит — прр, и, следовательно, в точке Р' фаза тока Фр =-(я — прр. Разность фаз токов ЛФ в соседних проводниках спирали в точках Р' и Р составит ЛФ=Фп — Фг — — пйр+и. Найдем значения радиуса р„, при которых ЛФ=2пп, я=1„2,..., и токи в соседних проводниках в точках Р и Р' синфазны.
Соответствующее условие имеет вид 2пр„= (2п — 1)Х, и=1, 2, ... Из него следует, что на окружностях с периметром, равным нечетному числу длин волн, токи в соседних проводниках спирали находятся в фазе и могут интенсивно излучать электромагнитные волны. Наибольшую интенсивность имеет излучение тонов в районе окружности с радиусом Х/(2п), причем после прохождения витков с таким радиусом тони в проводниках спиральной линии резко уменьшаются. Последующие витки спирали, для которых условие синфазности выполняется при я=2, 3, ..., практически оказываются невозбужденными и не влияют на работу антенны.
Таким образом, активная область плоской архнмедовской спиральной антенны в режиме противофазного возбуждения условно может быть заменена одним витком радиуса Х/(2п) с распределением эквивалентного электрического тока по закону бегущей волны (одноволновая рамка): ~;,„з ® = )'зе-тт. Периметр этого эквивалентного витка равен длине волны, Так как приведенные рассуждения справедливы для любой длины волны, то противофазная спиральная антенна является частотно-независимой как по входному сопротивлению, так н по ДН, если только рабочая частота превышает некоторое граничное значение, зависящее от наружного диаметра антенны.
Синфазиое воэбунщение. Рассматривая аналогично фазовые соотношения токов в проводниках спирали при синфазном возбуждении, можно легко установить, что тони в соседних витках синфазпы на окружностях с радиусами р, удовлетворяющими условию 2пр„,=2тХ, гп=1, 2, .... Из-за интенсивного излучения тонов в районе окружности с радиусом Х/и происходит автоматическая отсечка токов и витки с радиусами р>Х/и оказываются невозбужденными.
Таким образом, активная область плоской архимедовской спиральной антенны в режиме сннфазного возбуждения условно может быть заменена одним витком радиуса Х/и с распределением эквивалентного электрического тока по закону бегущей волны (двухволновая рамка): / э(И=/ е ~эт (10.2) Границы рабочего диапазона антенны определяются из условия Р„ф(Х/п()7„ч где Й,„— внешний радиус антенны; й.'„р — радиус металлического противовеса в возбуждающем устройстве. Характеристики направленности архнмедовских спиральных антенн.
При расчете ДН удобно расположить архимедовскую спиральную антенну в экваториальной плоскости сферической системы координат (начало координат совпадает с центром спирали). Тогда, предполагая, что излучение антенны обусловлено распределением сторонних токов (10.1) или (10.2), и основываясь на методике расчета полей, изложенной в $7.3, можно получить следующие формулы для расчета ДН: /,(В, р)=/(У„,(и з)п 6)+/„+,(и з!и В)) сов Ве ~"т, / (6, р)=(У„,(и з(п 6) —.У„+,(и гйп 6)] е-г"т, (10.3) где У,гм(х) — функции Бесселя, причем п=1 относится к противофазному возбуждению спирали, п=2 — к синфазному. Формулы (10.3) позволяют также рассчитывать излучение круглых рамочных антенн с радиусом а=(Х/2п)п и распределением стороннего тока ),'— = ехр ( — )пч), п=1, 2, ....
На рис. 10.25 показаны рассчитанные по формулам (10.3) ДН в мериднональной плоскости ~6=0. Ввиду симметрии антенны ДН построены лишь для одного квадранта. Полные пространственные ДН имеют вид тел вращения вокруг оси з антенны. Как следует из формул (10.3), составляющие ~, и /, всюду находятся в фаэовой квадратуре. Поэтому полное поле излучения антенны имеет преимущественно эллиптическую поляризацию. Однако в плоскости спн- Рали состазлающаа 5е всегда обРащаетсЯ в нУль и полУчаетсЯ линейно поляризованное поле. Чисто круговая поляризация возникает в осевом направлении 6=0 (илн п) при противофааном возбужде- аа 55 ЛВ 1 )б ч75 Рнс. 1025.
ДН архннедоасхнх сннральных антенн: о — ооотееоеззеое: б — сеефезеое зозбузехеее* й 10.7. ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ Принцип автоматической отсечки излучающих токов воплощен также в антеннах с логарифмической периодичностью параметров в зависимости от частоты, для краткости называемых просто лого- периодическими антеннами. Одна из первых антенн такого типа показана на рис. 10.26. Плечами антенны являются своеобразные структуры из взаимно чередующихся вибраторов в форме выступов и впадин. Геометрия структур хараитеризуется безразмерным периодом т=5хзе/зс +ь коэффициентом формы а=ге/Р и углами а и р. Обычно используются структуры с параметром о=1' т.
Плечи антенны в начале координат разделены зазором. Возбуждающий коаксиальный кабель припаивается оплеткой к одному плечу антенны на всем его протяжении, внутренний проводник кабеля присоединяется к началу другого плеча антенны. Экспериментально было установлено, что электрический ток в выступах структуры при удалении от центра возрастает, достигая максимума в месте расположения резонансных выступов примерно четвертьволновой длины. Направления наиболее интенсивных то- нни спирали. При синфазном возбуждении излучение вдоль оси отсутствует.
В архимедовскнх спиральных антеннах можно реализовать одностороннее излучение, если с нижней стороны спирали расположить экран или замкнутый короб. Однако это приводит к дополнительной частотной зависимости параметров антенны и снижает ее диапазонность. ков, определяющих излучение антенны, показаны стрелками на рис. 10.26. После прохождения резонансных выступов токи резко уменьшаются, т. е.
происходит их отсечка. С уменьшением частоты излучаемых колебаний последовательно возникают резонансы выступов, более удаленных от центра. Отношение двух частот, на которых резонируют соседние выступы, составляет в точности величину т=ач/ыь Поэтому входное сопротивление и ДН антенны оказываются периодическими функциями логарифма частоты колеба- ний. При правильном подборе параметУ~д ров структуры изменение характеристик антенны в пределах одного периода оказывается небольшим. ТочГ~ ное повторение этих изменений от периода к периоду обеспечивает удом влетворительное поведение характери- стик антенны в очень широком днапахл / ! э зоне частот.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
