Спіральна антена

ЗМІСТ.

1.Режіми випромінювання спіральної антени 2

2.Расчетние співвідношення для циліндричної спіральної антени 5

3.Плоская арифметична спіральна антена 8

4.Равноугольная (логарифмічна) спіральна антена 11

5.Пример розрахунку циліндричної спіральної антени 14

Список використаної літератури 16

1. Режими випромінювання спіральної антени.

1.1. Спіральна антена являє собою згорнутий у спіраль провід (1), який харчується через коаксіальний фідер (2) (рис. 1, а). Внутрішній провід фідера з'єднується зі спіраллю, а зовнішня оболонка фідера - з металевим диском (3). Останній служить рефлектором, а також перешкоджає проникненню струмів з внутрішньої на зовнішню поверхню оболонки фідера. Спіраль може бути не тільки циліндричної, як на рис. 1, а, але і конічної (рис. 1, в) і плоскої (рис. 7) або опуклою.

Рис.1. Спіральні антени:

а - циліндрична; б - розгорнутий виток; в - конічна.

Циліндрична спіральна антена характеризується наступними геометричними розмірами: радіусом а, кроком s, довжиною одного витка , Числом витків p, довжиною по осі , Кутом підйому.

Як видно зі схеми антени і зображення розгорнутого витка спіралі (рис. 1, б), між розмірами антени є наступні залежності:

,,

1.2. Спіральні антени використовуються на УКВ в режимі біжучих хвиль з осьовим випромінюванням і обертовою поляризацією. Такий режим вимагає певних співвідношень між розмірами антени і довжиною хвилі. Виявимо ці співвідношення.

Струм високої частоти, проходячи але спіралі, викликає випромінювання електромагнітних хвиль. Достатньо десяти-одинадцяти витків, щоб вся підводиться до антени енергія випромінювалася в простір і не відбувалося відображення хвиль від кінця спіралі. Така хвиля, що біжить струму поширюється уздовж дроту спіралі з фазовою швидкістю, тобто, з уповільненням .

Ріс.2.Віток спіральної антени

Хвиля проходить один виток (від перерізу 1 до сеченію5 на рис. 2) за время.Електромагнітние хвилі, порушувані струмом спіралі, поширюються в повітрі зі швидкістю с і довжиною хвилі .

Якщо б всі витки зливалися, то достатньо було встановити час, що дорівнює періоду коливань , Т. е. , Щоб поля будь-якої пари протилежних елементів (1-3,2-4) спіралі збігалися по фазі і повністю складалися в точках осі 0'0 ", яка рівновіддалена від контуру витка. Це пояснюється тим, що в межах одного витка амплітуди струму практично однакова , а відмінність в фазі на кут в діаметрально протилежних перетинах витка (1-3, 2-4) компенсується протилежним напрямком струмів в них.

У разі спіралі циліндричної форми з кроком s умова максимального осьового випромінювання формулюється трохи інакше: за час проходження струму по витку електромагнітна хвиля повинна пройти в повітрі відстань більшу, ніж довжина хвилі, на крок s:

; Відповідно

(1)

При такому коефіцієнті уповільнення струми в будь-яких двох перетинах, розташованих під кутом 90 ° (наприклад, в 1 і 2, 2 і 3, 3 і 4, 4 і 5), викликають на осі О'О "поля, які зрушені по фазі на 90 °, і хвилі, які поляризовані під кутом 90 °. У результаті складання цих лінійно-поляризованих хвиль виходять хвилі з круговою поляризацією.

1.3. Дослідним шляхом встановлено, що зі збільшенням довжини хвилі фазова швидкість зменшується, а коефіцієнт уповільнення збільшується у стільки ж разів. Завдяки цьому умова осьового випромінювання (1) підтримується в широкому діапазоні хвиль:

(Рис. 3, а).

Ріс.3.ДН циліндричної спіральної антени

при різній довжині витка спіралі

При довжині витка набіг фази в 360 ° відбувається при проходженні хвилею струму кількох витків спіралі. При цьому антена уподібнюється електрично малої рамці з N витків дроту, яка має ДН як вісімки з максимумами випромінювання в площині, перпендикулярної осі спіралі (рис. 3, б). Якщо, то на одному витку спіралі укладається дві, три і більше хвиль, а це призводить до похилого випромінювання і конусної формі просторової ДН (рис. 3, в).

1.4. Найбільш вигідний режим - осьового випромінювання, який, як відомо, вимагає довжини витка і забезпечує смугу пропускання. Ця смуга може бути значно розширена шляхом переходу до конічної антени (рис, 1, б), в якій ділянку (2) з середньою довжиною витка задовольняє умові, а крайні ділянки (1, 3) з великими () і меншими ( ) Довжинами витків задовольняють аналогічним умовам, але для максимальної і мінімальної довжин хвиль робочого діапазону:

,. Залежно від робочої довжини хвилі інтенсивно випромінює тільки одна із зон спіралі і тільки цієї активною зоною визначається гострота ДН.

2. Розрахункові співвідношення для циліндричної спіральної антени.

2.1. Щоб отримати максимальний КНД, потрібно встановити оптимальний коефіцієнт уповільнення, при якому в напрямку осі спіралі 0'0 "(рис. 2) поля першого і останнього витків знаходяться в протифазі. Інакше кажучи, необхідно доповнити умова (1) затримкою хвилі струму спіралі на напівперіод Т / 2, а в кожному витку її - на:

.

Звідси знаходимо оптимальний коефіцієнт уповільнення уздовж дроту спіралі:

, (2)

При цьому, правда, виходить еліптична поляризація, але так як, то коефіцієнт досить незначно відрізняється від й отриману поляризацію можна вважати кругової. Вважаючи = 1,2 ... 1,3, визначимо з вираження (2) кут підйому спіралі, відповідний оптимальними умовами роботи антени

:

Звідси

, (3)

Довжина спіралі підбирається відповідно до оптимальним коефіцієнтом уповільнення уздовж осі спіралі . При = 1,2 ... 1,3 маємо , Що відповідає куту підйому спіралі = 12 ... 16 ° і числа витків р = 5 ... 14.

2.2. Розглядаючи кожний виток спіралі як елементарний випромінювач з фазовим центром на осі 0'0 ", визначаємо функцію спрямованості антени як добуток функції спрямованості одного витка на множник решітки з р елементів . Так як р велике, а спрямованість одного витка мала, то приймаємо . У результаті маємо

(4)

Кут , Як і раніше, відраховується від перпендикуляра до осі лінійної решітки.

2.3. Для спіральних антен оптимальних розмірів дослідним шляхом встановлено наступні формули:

ширина діаграми спрямованості

, (5)

коефіцієнт спрямованої дії

, (6)

вхідний опір

, (7)

2.4. Отже, циліндричні і конічні спіральні антени широкосмугові з осьовим випромінюванням хвиль кругової поляризації. Спрямованість циліндричних спіралей середня, а конічних - нижче середньої (не вся спіраль бере участь у випромінюванні на даній частоті), але останні мають великий діапазон. Застосовуються й ті й інші як самостійні антени в діапазонах дециметрових а метрових хвиль, а також як опромінювачі антен сантиметрових хвиль.

3. Плоска арифметична спіральна антена.

3.1. У процесі розвитку радіотехніки все більше потрібні антенно-фідерні пристрої, розраховані на роботу в дуже широкому діапазоні частот і до того ж без будь-якої перебудови. Частотна незалежність таких антенно-фідерних пристроїв заснована на принципі електродинамічного подоби.

Цей принцип полягає в тому, що основні параметри антени (ДН і вхідний опір) залишаються незмінними, якщо зміна довжини хвилі супроводжується прямо пропорційним зміною лінійних розмірів активної області антени. При дотриманні цієї умови антена може бути частотно-незалежної в необмеженій діапазоні хвиль. Проте розміри випромінюючої структури кінцеві і робочий діапазон хвиль будь-якої антени теж обмежений.

З цієї групи антен розглянемо плоскі арифметичні і рівнокутні спіралі і логарифмічно-періодичні антени.

Рис.4. Арифметична спіраль

3.2. Арифметична спіраль виконується у вигляді плоских металевих стрічок або щілин у металевому екрані (рис. 4). Рівняння цієї спіралі в полярних координатах

де - Радіус-вектор, відлічуваний від полюса О; а - коефіцієнт, що характеризує прирощення радіус-вектора на кожну одиницю приросту полярного кута; b - початкове значення радіус-вектора.

Спіраль може бути двухзаходной, четирехзаходной і т. д. Якщо спіраль двухзаходной, то для стрічки (щілини) /, показаної штриховими лініями, кут відраховується від нуля, а для стрічки / /, показаної суцільними лініями, - від 180 °, тобто спіраль утворена абсолютно ідентичними стрічками, поверненими на 180 ° один щодо одного.

Початкові точки стрічки / відповідають радіус-векторів, які позначимо і. Отже, ширина стрічки . Описавши один оборот, стрічка займає положення D, в якому радіус-вектор більше початкового на. На цьому відрізку ВD розміщуються дві стрічки і два зазору, і якщо ширина їх однакова, то, Звідси визначаємо коефіцієнт .

3.3. Харчування спіралі може бути протифазних, як на рис. 4, або синфазним. У першому випадку струми через затискачі А, В, з'єднують стрічки з фідером, мають протилежні фази. Шлях струму в стрічці / більше, ніж у стрічці / /, на полвітка. Наприклад, у перетині СD стрічка / / потрапляє, описавши полвітка, а стрічка / - один виток, в перетин ЕF-відповідно півтора і два витка і т. д. Оскільки довжина витка в міру розгортання спіралі зростає, збільшується розбіжність фази струмів в стрічках. Позначивши середній діаметр витка знаходимо зсув по фазі, відповідний довжині полувітка:

Якщо до цього додати початковий зсув, рівний , То отримаємо результуюче розбіжність по фазі струмів в суміжних елементах двухпроводной лінії

За рахунок другого доданка кут відмінний від, а в таких умовах електромагнітні хвилі випромінюються, навіть якщо зазор між стрічками малий у порівнянні з довжиною хвилі.

Інтенсивно випромінює тільки та частина спіралі, в якій струми суміжних елементів обох стрічок збігаються за фазою:

Підставляючи , Знаходимо, що середній діаметр першого «резонансного» кільця , А периметр цього кільця. Середній діаметр і периметр другого (k = 2), третього (k = 3) і т. д. «резонансних» кілець відповідно в три, п'ять, ... разів більше. Оскільки випромінювання радіохвиль спіраллю викликає велике загасання струму від її початку до кінця, то інтенсивно випромінює тільки перше резонансне кільце, а решта, зовнішня частина спіралі як би «відсікається» {явище відсічення випромінюючих струмів}.

3.4. Активна частина спіралі становить найбільший інтерес і з іншої причини. Згасання струму, викликане випромінюванням, настільки велике, що відбиття від кінця спіралі практично відсутній, тобто струм в спіралі розподіляється за законом біжучих хвиль. До того ж периметр першого резонансного кільця дорівнює довжині хвилі . У таких умовах, як показано в п. 1, відбувається осьове випромінювання з обертовою поляризацією, яке в даному випадку найбільш бажано.

Діаметр спіралі повинен бути досить великий, щоб на максимальній хвилі діапазону збереглося перше «резонансне» кільце (), а зі зменшенням довжини хвилі це кільце повинне стискатися до тих пір (), поки воно ще може повністю розміститися навколо вузла живлення. Тоді в межах відношення середнього периметра першого «резонансного» кільця до довжини хвилі залишається постійним і тим самим виконується основна умова збереження спрямованих властивостей антени в широкому діапазоні хвиль Правда, спрямованість арифметичної спіралі невелика (60 ... 80 °), оскільки у випромінюванні хвиль бере участь, по суті, тільки та частина спіралі, яка має середній периметр, рівний.

Друга умова отримання діапазонною антени-сталість вхідного опору - досягається тут тим, що спіраль працює в режимі біжучої хвилі струму. Це опір активну (100-200 Ом). При живленні від коаксіального фідера (Ом) погодження виробляють ступінчастим або плавним трансформатором.

3.5. Спіраль випромінює по обидві сторони своєї осі. Щоб зробити антену односпрямованої, стрічкову спіраль поміщають на діелектричній пластині товщиною , Іншу сторону якої металлизируют. Якщо ж спіраль щілинна, то її вирізують на стінці металевого короба; тоді протилежна стінка короба грає роль відбиває екрана, а сам короб є резонатором. Щоб зменшити його глибину, короб заповнюють діелектриком.

Одна з типових спіралей має діаметр 76 мм, виконана на пластині з епоксидного діелектрика, забезпечена резонатором глибиною 26 мм, працює в діапазоні хвиль 7.5 ... 15 см при, ширині діаграми спрямованості 2 '= 60 ... 80 ° і коефіцієнті еліптичності в напрямку максимуму головного пелюстка менше 3 дБ, тобто практично поляризацію можна вважати кругової. Плоскі спіральні антени зручно виготовляти друкарським способом на тонких аркушах діелектрика з малими втратами на високих частотах.

4. Рівнокутні (логарифмічна) спіральна антена.

4.1. Широкодиапазонного антен такого виду заснована на тому, що якщо відношення лінійних розмірів випромінювача до довжини хвилі залишається постійним і випромінює структура повністю визначається її полярними кутами, то спрямованість антени виявляється абсолютно незалежною від частоти.

Рис.5. Логарифмічна спіраль

Рівнокутні спіраль (рис. 5) будується в полярних координатах за рівнянням

де - Радіус-вектор на початку спіралі ( ), А - коефіцієнт,

визначає ступінь збільшення радіус-вектора з збільшенням полярного кута.

Двухзаходной спіраль утворюється двома провідниками або щілинами, але на відміну від Архімедова спіральної антени товщина їх непостійна і зростає із збільшенням кута. Нехай початковий радіус-вектор на внутрішньому кордоні 1-го провідника дорівнює і на зовнішній . Тоді рівняннями граничних спіралей є

(8)

. (9)

4.2. Для оцінки діапазонними логарифмічної спіралі досліджуємо залежність ставлення від кута . Чисельник дробу, а так як ,

то знаменник дробу і шукане відношення , (10)

де . Отже, зміна довжини хвилі викликає тільки зсув активної області спіралі на деякий кут , А ставлення і спрямовану дію антени від цього не змінюються. Якби спіраль була нескінченною, то діапазон антени була безмежною, але реальна антена має кінцеву
довжину і ефективно працює в обмеженому, хоча і дуже широкому діапазоні хвиль , Причому визначається максимальною довжиною спіралі, а - мінімальними розмірами вузла живлення.

4.3. Логарифмічна спіраль працює в режимі біжучих хвиль (внаслідок випромінювання струм загасає до кінця спіралі), і її вхідний опір Ом.

Рис.6. Щілинна плоска логарифмічна галактика

антена

Типова щілинна логарифмічна спіраль (мал. 6) має максимальну довжину гілки 42,3 см, початковий радіус 0,51 см і коефіцієнт = 0,303. Антена випромінює хвилі з обертовою поляризацією в діапазоні см і не перевищує двох при харчуванні спіралі від 50-Ом коаксіального кабелю. Параметри антени знаходяться в допустимих межах навіть при двадцятикратному зміні довжини хвилі.

5.Пример розрахунку спіральної циліндричної антени.

Для побудови діаграми спрямованості антени, користуючись експериментальними даними дослідження спіральних антен [1.Ріс.1.3.XXV.], Вираховую за формулами (4) - (7) функцію спрямованості антени.

Враховуючи:

підставимо всі значення у формулу (4):

.

Використовуючи додаток "MathCAD 7 professional" отримав такий вигляд діаграми спрямованості антени:

.

За формулою 5 розраховую ширину діаграми спрямованості:

21.586.

Коефіцієнт спрямованої дії:

70.768.

Вхідний опір:

Отже, циліндричні і конічні спіральні антени широкосмугові з осьовим випромінюванням хвиль кругової поляризації. Спрямованість циліндричних спіралей середня, а конічних - нижче середньої (не вся спіраль бере участь у випромінюванні на даній частоті), але останні мають великий діапазон. Застосовуються й ті й інші як самостійні антени в діапазонах дециметрових і метрових хвиль, а також як опромінювачі антен сантиметрових хвиль.

Список використаної літератури.

1.Айзенберг Г.З. Антени ультракоротких хвиль. «Связьіздат», М.1957.700 з

2.Лавров А.С., Резніков Г.Б. Антенно-фідерні пристрої. «Сов.радіо», М., 1974,368 с.

3.Белоцерковскій Г.Б. Основи радіотехніки і антенни.В 2-х ч.

Ч. 2.Антенни-М.: Радіо і зв'язок ,1983-296с.