Устройства СВЧ и Антенны (Д.И. Воскресенский и др) (561333), страница 63
Текст из файла (страница 63)
Рассмотрим излучение одного витка спирали длиной Е=Л с волной Т,. Будем считать виток шгоским. Распределение тока в витке спирали подчиняется закону 7«е нг, где (ь — ток в начале витка; Е, — текУщал кооРдината, отсчитываемаЯ вдоль витка. При длине витка Е, =Е = Л распределение тока по нему можно представить в внле г,е '«, Эдесь Р— азиыугальный угоч в плоскости витиа (рис. 17.9,а,оэ. Пусть распределение тока по витку (в момент времени г = О) соответствует сплошной линии на рис.
17.9,« (виток изображен в развернутом аиде). Так как токи вблизи точек а, с, е малы, приблюкенно можно заменить виток двумя изогнутыми го ризонтальиыми полуволновыми сннфазными излучателями (рнс. 17.9,а) с током 1,. Поле излучения витка В поляризована горизонтально, и максимум дН ориентирован вдоль оси а витка. Через четверть периода (г = Т(4) картина распределения тока сме. стится на Л(4 в направлении лаижения бегущей волны (пунктир на рис. 17.9,«). Те перь виток можно приближенно заменить двумя верпшальными пслуволновыми излучателями, и поле излучения будет вертикально поляризовано (рис.
17,9,0). Видим, что за один период колебаний вектор электрического поля повеРнется в пространстве н; ЗбО'. Следовательно, в режиме волны т, спиральная антенна излучает поле вращаю щейся (круговой) поллризазии с максимумом вдоль оси т антенны. направление врв щения поля соответствует направлению намотки спирали. Рне. 17.9. К излучению витка «пирщи с волной Г, е,б — зыееиввнпевепирвлиэквивалентным гернюиевлвнымивертнквлы мнтлу етез ин. е - рвзвер кв виткв еинратн В реальной спиральной антенне виток лежит не в одной плоскости, а имеет некоторый шаг намотки 5 (рис. 17.10). Если шаг намотки и диаметр витка выбраны так, что сленг фаэ между иапрлженностлми пещей, создаваемых первым (№ 1) и последним (№ 2) элементами витка равен 2н то в направлении оси спирали Сохраняется круговая поляризация и максимум излучения: — Е- — 5=2л 2н 2н (17.1) Л Л 2н Здесь — 5 — сдвиг фаз между попами начачьного и конечного Л 2л Рнс. 17.10.
К расчетУ элементов витка, определяемый разностью хода лучей; — ь параметров спирали, обеспечивающих сЛвиг фаз полей указанных элементов, опреЛеллемый сдвигом «ругануюполвризвнию фаз токов этих элементов. Иэ 117.1) слелует стютношение между параметрами спирали с и б, соответствующее круговой по щризации, 200 с=(д ьЛ)/у, (17.2) где у = с/ге = Л/Л вЂ” замедление волны в спирали.
Удовлетворение условию (17.1) прн конструировании антенны не обеспечивает максимального значения КНД. Спиральная антенна — антенна осевого излучения с замедленной фазовой скоростью волны тока вдоль оси антенны. В таких антеннах (см. п.12.12) максимальный КНД получается при сдвиге фаз между полами излучения пер.
ного и последнего витков, равном я, т.с. вместо (17,1) должно выполняться условие 2л 2я т — Ь вЂ” — 5 = 2гг + —, 2 Л дг' где )У вЂ” число витков спирали. Отсюда С= Я+Л+Л/(23г) (17.3) у Таким образом, прн соблюдении условия (17.2) в направлении осн антенны получается круювяя поляризация, а при соблюдении условия (17,3) — максимальный КНД при некоторой эллиптнчнссти поля излучения. Поскольку замедление волны ус увеличением длины волны увеличивается (см. рис. 17.8), соотношения (17.2) или (17.3) нарушаются незначительно, и спиральная антенна сохраняет удовлетворительные значения параметров в диапазоне длин волн (0,7 — 1,2) Л, где яе — длина волны, для которой подобраны оптимальные размеры антенны. При этом значение угла подъема витка спирали а =мсз!п(б/Ь) может лежать в пределах 12-18'.
Если цилиндрическая спиральная антенна обеспечивает режим осевого излучения при коэффициенте перекрытия оо частоте К„= Л /Л ь 1,7, то конические спиральные антенны более широкополосны (К, = 2...3) . Так как в конической спирали витки имеют различную длину, на любой частоте рабочего диапазона в спирали имеется группа витков (рабочля обласш), на каждом ю которых укладывается примерно олна длина волны типа Ть ПРи изменении частоты РабочаЯ область пеРемешаетса вдоль оси спирали Следовательно характеристики направленности таких антенн определяются не общим числом витков (или полной длиной спирали), а лишь числом витков а группе с волной Т, (длиной этого участка спирали).
Излучение остальных витков слабо влияет на общее поле антенны. В многозаходных циппцдзических спиральных антеннах с односторонней намоткой (рис. 17.5,а) при осевом излучении (волна Т,) рабочий диапаюн дополнительно расширяется (К, (! +М)) вследствие подавления в них ближайших низших и высших типов волн. эдногозаходнаа спиральная антенна с двусторонней намоткой (рис. 17.5,б) позволяет управлять поляризацией поля излучения, если число заходов (ветвей) М>2.
Так дяя волн 71,1, обеспечиваюшик в спнральной антенне режим прямого осевого изяуче. ния с правой и левой круговой поляризацией, комплексная амплитуда токов возбужления меняется от захода к заходу по закону 1,' =(,'е о и нн при волне П (17.4) Дбй и по закону 1, = 1 е' " 1ы прн волне Т» (17.5) Здесь (сз — амплитуды токов; ( — номер симметричной точки (номер захода), отсчитываемый от произвольного захода по направлению возрастания угла р(( — -1,2,...,а() (рис. 17.11). Если заходы возбу- ждаются одновременно токами 1; и 1,, то поляри. зашш а направлении оси — эллиптическая с осевым коэффициентом поляризационного эллипса Рнс. 17.11. Точки возбуждения л~нсгезахслной слиршыюй антснны (с +(а При 1, '> Е, поляризация пола излучения — правая, прн 1,' < 1, — левая, прн (с = (с — линейная.
Случай 1 =О ( 1, =О) соответствует полю с круговой правой (левой) поляризацией. Нанравтеяяые свойства спиральной антенны осевого излучения можно определить, рассматривая спираль как линейную решетку, состояшую из ряда излучателей— витков (рис.
17.12,а,б). При этом (17.б) Рис. 17Л2. К определение поля излучения слиршьной антенны (а, б) и кольца с бсгушеи волной тока (е) Множители Де(0) и Р; (9) представляют собой ДП одного витка соответственно для меридиональной и азимутальной составлаюших поля Эти множители для витка (колыш) радиуса а (рис. 17.12,е), по длине которого укладыааегся н длин волн, имеют аид Ке(О) =~уГ„чг(ааын9) +тон (асип9))созО, д, (О)Руо, »(ааз(»9)- гиыг(асз(пб1), где а= 2я('Л; У(„м) — функция Бесселя действительного аргумента. 267 Рассчитанные по формулам (17.7) ДН витка для различных азимутальных гармоник при Сз= л приведены парис.
17.!3. гРУнкциЯ Рк (9) в (17.б) есть множитель Решетки и имеет вид ып — (Ьсоз — )и)" мп — 8(УС вЂ”.тсоз9) ~2 2 Ел(О) = .Г! . 1 Уз!и — (lпсозО-ц!) Дгз)п .8(уС вЂ” гсозО)~ С2 2 (17.8) где йг- число витков; 5 в шаг спирали (рис. 17.12,0)1 уг, = 2я)'А — сдвиг по фазе токов двух соседник витков; у = Л!'Л Нз выражений (17.7),(!7.8) и рис. 17.13 следует, что режим прямого (или обратного) осевого излучения обусловлен излучением первой азимутзльной пространственной гармоники (л = + 1). Причем при и = 1 пширнзация в направлении оси г— правая круговая, при л = — ! — левая круговая. Все другие пространственные гармоники не обеспечивают режима осевого излучения .
Ширина ДН спиральной антенны с постоянным диаметром Рнс. 1743. Диаграммы направленности витка, ее КНД и входное сопро!бхя и Е я компоненты) юнмугальных тивлеане могут быть определены пространсгвенвых гармоник по формулам 20ег = — град, !1, = 15~ †)! Š†, Е 140 в Ом . 52 С С 5 ' 5~ 2 - Л Л Л Обычно число витков антенны не превышает 7 — 8. Ширина дН при этом составляет около 40'. Длл получения более узких дН применяют решетки спиральных излучателей. 888 17.3.
Иыиедвисиые пцтемиы Особенностью антенн данного типа является использование импедансных струк тур, способнвж поддерживать плоские или пилиндрические поверхностные волны. При этом антенна конструируется так, что отражение волны от конца структУРы малб, и в антенне устанавливается режим, близкий к режиму бегущей волны. На рис. 17.! 4 показаны импедансные антенны в виде плоских металлических пла. стин с диэлектрическим слоем.
При возбуждении полем вертикатьной поляризации в антенне (в плоском диэлекгРическом слое) возникает волна основного типа Есс плоскал или цилиндрическая (рис. 17.14,еы). Поверхностное сопротивление цоверхиостной Е-еогшы есть отношение касательных составляющих электрического и магнитного полей на границе раздела в воздухе: Е, Е, и, и, ' (17.9) (17.10) еде л = 2лггЛ; е, =е/л — относительная диэлектрическая проннпаемость диэлектрического слоя. Рнс.
17.!4. Имледансныс антенны: — лассила лакеев аз, б — ласковее, в г — мртина аол» оюгвегсвмаао гвсскоа н ниаиюнвческеа волны основного за па в замеааамщеа сгрукгтре Обычно фазовая скорость поверхностной волнъг в зависимости от толшины лиепектрика лежит в пределах с -н=нт лс. Помимо обычного диэлектрика для построения импедансных антенн используютеа гофрированные метавлические структуры плоской или пилиндрической формы (Рис. 17.15) Замедляюшее действие гофров (рис. 17 15,в,г) объясняется тем, что ниже поверхности Е волна движется только в поперечном направлении (вдоль оси у), отрюкаясь от диа канавки гофра, и имеет нулевую поступательную скорость вдоль оси а. Степень заМепдения всей волны пропорднональна той доле ее энергии, которая попадает в гофры.
Гранила Я (т = б) между гофрами и свободным пространством обладает анизоЗропной проводимостью: токи Могут течь только вдоль продольной оси е. 289 !о — зсзз Для полдержания замедленной волны зто сопротивление должно быть чисто реактивным и носить индуктивный характер. Практически толшлну слоя аиэлектрика выбираот малой йггдс «1. В этом случае для замедления ) справедлива приближенная ,формула з з(1, )2 Камдая канавка гофра представляет собой короткозамкнутую на конце ленточную линию ллииой (высотой) б с волной типа Т и входным сопротивлением /2л !х = !)Р,гб1( — ь/1 при идеальной проводимости металла. '(л / 2г гг Условие существования поверхностной волны: а<Л(4 (или — Ь< — ). В этом Л 2 случае поверхностное сопротивление (17.9) — ишшктивное. Учет дискретности юфрированиой структуры (скачкообриное изменение фазы в соседних канавках) накладыва- Л ет дополнительное ограничение о< — иа период структуры (рис.17.15,е).
2у Рис. 1тлд. Импедаасиые антенны иа осаовс мстаалкчсских плоских (е). лиакалрвчссквх (а) гофрированных замедляющих структур и римеры ячеек замедаяюшвх структур (е, а) При известных параметрах замедляющей структуры фазовая скорость основноб волны типа Ем, распространающейся а направлении оси г, перпендшгулярной гофрам, определяется формулой (!7.11) Здесь ! — ширина канавок гофра. Из (17.11) следует, что с увеличением глубины канавки фазовая скорость убывает и при /г = Л ! 4 равна нулю, что соответствует срыву распространения поверхноспюй волны. Отношение Ь/Л, при котором происходит срмв, зависит от «густоты» структуры, т.е, от отношения Ь/г( (рнс. 17.!6). Стержень с периодически расположенными металлическими Лисками (составная часть ребрлсмостерэклевой ллтгллы (рис.
17.15,о!) образует замедляющую структуру, вдоль которой могут распространяться волны типов Е,е и НЕп, близкие по структуре к волнам в линии поверхностной волны. Как и в птоскнх юфрированных структурах, поверхность цилиндра Е(г = г, ) обладает анюотропной проводимостью. Применительно к антеннам осевого излучения большее практическое значение имеет волна НЕц. В отличие от диэлекгрического волновола (стержня), анизотропно-проводящие гофры подавляют продольную магнитную составляющую Н, этой волны, шк Рис.!7.!б.зависимость обратной что Н «Е,[йге .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
