Спіральні антени

1.Режимы випромінювання спіральної антени 2.

2.Расчетные співвідношення для циліндричною спіральної антени 5.

3.Плоская арифметична спіральна антена 8.

4.Равноугольная (логарифмічна) спіральна антенна.

5.Пример розрахунку циліндричною спіральної антенны.

Список використаної літератури 16.

1. Режими випромінювання спіральної антени. 1.1. Спіральна антена є згорнений в спіраль провід (1), поїдаючи через коаксіальний фідер (2) (рис. 1, а). Внутрішній провід фидера з'єднується зі спіраллю, а зовнішня оболонка фидера — з металевим диском (3). Останній служить рефлектором, і навіть перешкоджає проникненню струмів з м’якою внутрішньою на зовнішню поверхню оболонки фидера. Спіраль може бути лише циліндричною, як у рис. 1, а, а й конічній (рис. 1, у і пласкою (рис. 7) чи опуклої. [pic] Мал.1. Спіральні антени: а — цилиндрическая; б — развёрнутый виток; в — коническая.

Цилиндрическая спіральна антена характеризується такими геометричними розмірами: радіусом а, кроком p. s, довжиною одного витка[pic], числом витків p, довжиною по осі [pic], кутом підйому [pic]. Як очевидно з схеми антени і зображення розгорнутого витка спіралі (рис. 1, б), між розмірами антени є такі залежності: [pic] ,[pic] ,[pic] 1.2. Спіральні антени використовуються на УКХ як котрі біжать хвиль з осьовим випромінюванням і обертовою поляризацією. Такий режим вимагає певних співвідношень між розмірами антени і хвилі. Виявимо ці співвідношення. Струм високої частоти, проходячи але спіралі, викликає випромінювання електромагнітних хвиль. Досить десяти-одиннадцати витків, щоб вся подводимая до антени енергія випромінювалася у просторі не відбувалося відображення хвиль від кінця спіралі. Така біжучий хвиля струму поширюється вздовж дроти спіралі з фазової швидкістю [pic], т. е., з уповільненням [pic].

[pic].

Рис. 2.Виток спіральної антени Хвиля минає виток (від перерізу 1 до сечению5 на рис. 2) за время[pic]. Электромагнитные хвилі, розпочаті струмом спіралі, поширюються повітря зі швидкістю сек. і довжиною волны[pic]. Якби все так витки зливалися, досить було визначити время[pic], рівним періоду колебаний[pic], т. е. pic], щоб поля будь-який пари протилежних елементів (1−3,2−4) спіралі збігалися за фазою і повністю складалися в точках осі 0 «0 », яка равноудалена від контуру витка. Це тим, що протягом одного витка амплітуди струму практично однакова, а розбіжність у фазі на кут [pic]в діаметрально протилежних перетинах витка (1−3, 2−4) компенсується протилежним напрямом струмів у яких. Що стосується спіралі циліндричною форми з кроком p. s умова максимального осьового випромінювання формулюється дещо інакше: під час проходження струму по витку [pic]электромагнитная хвиля повинна пройти повітрі відстань більше, ніж довжина хвилі, на крок p. s: [pic]; соответственно.

[pic] (1) За такої коефіцієнті уповільнення струми у різноманітних двох перетинах, розташованих з точки 90° (наприклад, один і 2, 2 і трьох, 3 і 4, 4 і п’яти), викликають на осі Про «Про «поля, які зсунуто за фазою на 90°, і хвилі, які поляризованы з точки 90°. Через війну складання цих лінійнополяризованих хвиль виходять хвилі з кругової поляризацією. 1.3. Досвідченим шляхом встановлено, що зі збільшенням довжини хвилі [pic] фазовая скорость[pic] зменшується, а коефіцієнт уповільнення [pic]увеличивается у стільки ж раз. Завдяки цьому умова осьового випромінювання (1) підтримується широтою діапазону хвиль: [pic](рис. 3, а).

[pic].

Рис. 3.ДН циліндричною спіральної антени при різної довжині витка спирали.

При довжині витка [pic] набіг фази в 360° відбувається за проходженні хвилею струму кількох витків спіралі. У цьому антена уподібнюється електрично малої рамці з N витків дроти, має ДН як вісімки з максимумами випромінювання у площині, перпендикулярної осі спіралі (рис. 3, б). Если[pic], то, на одному витку спіралі вкладається дві, три і більше хвиль, але це призводить до похилому випромінюванню і конусной формі просторової ДН (рис. 3, в). 1.4. Найбільш вигідний режим — осьового випромінювання, який, як відомо, вимагає довжини витка [pic]и забезпечує смугу пропускання [pic]. Ця смуга то, можливо значно розширено перейшовши до конічній антени (рис, 1, б), у якій ділянку (2) з середньої довжиною витка [pic] задовольняє условию[pic], а крайні ділянки (1, 3) з більшими на ([pic]) і меншими ([pic]) довжинами витків задовольняють аналогічним умовам, але для максимальної [pic]и мінімальної [pic]длин хвиль робочого діапазону: [pic],[pic]. Залежно від робочої довжини хвилі [pic]интенсивно випромінює одна з зон спіралі та тільки з цієї активної зоною визначається гострота ДН. 2. Розрахункові співвідношення для циліндричною спіральної антени. 2.1. Щоб самому отримати максимальний КНД, встановити оптимальний коефіцієнт замедления[pic], щоб у напрямі осі спіралі 0 «0 «(рис. 2) поля першого варіанта й останнього витків перебувають у протифазі. Інакше кажучи, необхідно доповнити умова (1) затримкою хвилі струму спіралі на напівперіод Т/2, а кожному витку її — на [pic]:

[pic]. Звідси знаходимо оптимальний коефіцієнт уповільнення вздовж дроти спирали:

[pic], (2) У цьому, щоправда, виходить еліптична поляризація, але так как[pic], то коэффициент[pic] дуже мало відрізняється від [pic]и отриману поляризацію вважатимуться кругової. Вважаючи [pic]= 1,2 … 1,3, визначимо з висловлювання (2) кут підйому спіралі, відповідний оптимальним умовам роботи антени [pic]:

[pic] Отсюда.

[pic], (3) Довжина спіралі [pic]подбирается відповідно до оптимальним коефіцієнтом уповільнення вздовж осі спирали[pic]. При [pic]=1,2…1,3 имеем[pic], що відповідає розі підйому спіралі [pic]=12 … 16° і числу витків р = 5 … 14. 2.2. Розглядаючи кожен виток спіралі як елементарний випромінювач з фазовим центром на осі 0 «0 », визначаємо функцію спрямованості антени [pic] як твір функції спрямованості одного витка [pic] на множник грати з р элементов[pic]. Оскільки р велике, а спрямованість одного витка мала, то принимаем[pic]. Через війну маємо [pic](4) Кут [pic], як і колись, відраховується від перпендикуляра до осі лінійної грати. 2.3. Для спіральних антен оптимального розміру дослідним шляхом встановлено такі формули: ширина діаграми направленности.

[pic], (5) коефіцієнт спрямованого действия.

[pic], (6) вхідний сопротивление.

[pic], (7) 2.4. Отже, циліндричні і конічні спіральні антени широкосмугові з осьовим випромінюванням хвиль кругової поляризації. Спрямованість циліндричних спіралей середня, а конічних — нижчу за середню (не вся спіраль бере участь у випромінюванні на даної частоті), але останні мають більшої диапазонностью. Застосовуються й ті та інші як самостійні антени в діапазонах дециметрових, а метрових хвиль, і навіть як облучатели антен сантиметрових хвиль. 3. Пласке арифметична спіральна антена. 3.1. У процесі розвитку радіотехніки дедалі більше потрібні антеннофидерные устрою, розраховані роботу у дуже широкому діапазоні частот до того ж зволікається без жодної перебудови. Частотна незалежність таких антенно-фидерных пристроїв полягає в принципі електродинамічного подоби. Цей принцип у тому, основні параметри антени (ДН і вхідний опір) залишаються незмінними, якщо зміна довжини хвилі [pic] супроводжується прямо пропорційним зміною лінійних розмірів активної області антени. За дотримання даного умови антена то, можливо частотнонезалежної в необмеженому діапазоні хвиль. Проте розміри випромінюючої структури кінцеві і непрацевлаштований працівник діапазон хвиль будь-який антени теж обмежений. З цієї групи антен розглянемо плоскі арифметичні і равноугольные спіралі й закручено логарифмически-периодические антенны.

[pic].

Рис. 4. Арифметична спіраль 3.2. Арифметична спіраль виконується як пласких металевих стрічок чи щілин в металевому екрані (рис. 4). Рівняння цієї спіралі в полярних координатах.

[pic] де [pic] — радиус-вектор, отсчитываемый від полюси Про; а — коефіцієнт, що характеризує прирощення радиус-вектора кожну одиницю збільшення полярного кута [pic]; b — початкова значення радіусвектора. Спіраль то, можливо двухзаходной, четырёхзаходной тощо. буд. Якщо спіраль двухзаходная, то тут для стрічки (щілини) /, показаної штриховими лініями, кут [pic] відраховується від нуля, а стрічки //, показаної суцільними лініями, — від 180°, т. е. спіраль освічена цілком ідентичними стрічками, поверненими на 180° друг щодо друга. Початкові точки стрічки / відповідають радиус-векторам[pic], які позначимо [pic] і [pic]. Отже, ширина ленты[pic]. Описав один оборот[pic], стрічка займає становище D, у якому радиус-вектор більше початкового на[pic]. У цьому відрізку ВD розміщуються дві стрічки і двоє зазору, і якщо ширина їх однакова, то[pic], Звідси визначаємо коэффициент[pic]. 3.3. Харчування спіралі то, можливо противофазным, як у рис. 4, чи синфазним. У першому випадку струми через затискачі А, У, що з'єднують стрічки з фидером, мають протилежні фази. Шлях струму в стрічці / більше, ніж у стрічці //, на полвитка. Наприклад, в сечении СD стрічка // потрапляє, описавши полвитка, а стрічка / — один виток, в перетин ЕF—соответственно півтора і двоє витка тощо. буд. Оскільки довжина витка принаймні розгортання спіралі зростає, збільшується розбіжність фази струмів в стрічках. Окресливши середній діаметр витка [pic] знаходимо зрушення за фазою, відповідний довжині полувитка:

[pic] Якщо до цього додати початковий зрушення, рівний [pic], одержимо результуюче розбіжність за фазою струмів в суміжних елементах двухпроводной линии.

[pic] за рахунок другого доданка кут [pic] різниться від [pic], а такі умови електромагнітні хвилі випромінюються, навіть якщо зазор між стрічками малий по порівнянню із довжиною хвилі. Інтенсивно випромінює лише не та частина спіралі, у якій струми суміжних елементів обох стрічок збігаються по фазе:

[pic] Підставляючи [pic], знаходимо, що таке середній діаметр першого «резонансного» кільця [pic], а периметр цього кільця [pic]. Средний діаметр і периметр другого (k=2), третього (k=3) тощо. буд. «резонансних» кілець відповідно три, п’ять, … разів більше. Оскільки випромінювання радіохвиль спіраллю викликає велике згасання струму від неї початку до кінця, то інтенсивно випромінює лише перше резонансне кільце, а інша, зовнішня частина спіралі хіба що «відсікається» {явище відсічення випромінюючих струмів}. 3.4. Активна частина спіралі представляє найбільше зацікавлення і з інший причини. Згасання струму, викликане випромінюванням, така велика, що відбиток від кінця спіралі практично немає, т. е. струм у спіралі розподіляється згідно із законом котрі біжать хвиль. До того ж периметр першого резонансного кільця дорівнює довжині хвилі [pic]. За цих умов, як показано в п. 1, відбувається осьове випромінювання з обертовою поляризацією, що у тому випадку найбільш бажано. Діаметр спіралі має бути досить великий, щоб у максимальної хвилі діапазону [pic]сохранилось перше «резонансне» кільце ([pic]), а з зменшенням довжини хвилі цю обручку має стискатися до того часу ([pic]), поки ще може цілком розміститися навколо вузла харчування. Тоді, у межах [pic] ставлення середнього периметра першого «резонансного» кільця [pic] до довжини хвилі [pic] постійний і тим самим виконується основну умову збереження спрямованих властивостей антени у широкому діапазоні хвиль [pic]Правда, спрямованість арифметичній спіралі невелика ([pic]60 … 80°), що у випромінюванні хвиль бере участь, сутнісно, лише не та частина спіралі, має середній периметр, рівний [pic]. Друге умова отримання диапазонной антенны—постоянство вхідного опору — досягається тут тим, що спіраль працює у режимі біжучому хвилі струму. Це опір активне (100—200 Ом). При харчуванні від коаксіального фидера ([pic] Ом) узгодження виробляють східчастим чи плавним трансформатором. 3.5. Спіраль випромінює з обох боків своєї осі. Аби зробити антену односпрямованої, стрічкову спіраль поміщають на діелектричним пластині завтовшки [pic], інший бік якої металлизируют. Якщо ж спіраль щелевая, що його вирізають на стінці металевого короби; тоді протилежна стінка короби ж виконує функцію відбиває екрана, а сам короб є резонатором. Щоб зменшити його глибину, короб заповнюють діелектриком. Один із типових спіралей має діаметр 76 мм, виконано на пластині з эпоксидного диэлектрика, оснащена резонатором глибиною 26 мм, працює у діапазоні хвиль [pic] 7.5 … 15 див при [pic], ширині діаграми спрямованості 2[pic] «= 60… 80° і коефіцієнті эллиптичности в напрямі максимуму головного лепестка менш 3 дБ, т. е. практично поляризацію вважатимуться кругової. Пласкі спіральні антени зручно виготовляти друкованим способом на тонких аркушах диэлектрика із малими втратами на високих частотах. 4. Равноугольная (логарифмічна) спіральна антена. 4.1. Широкодиапазонность антен такого виду полягає в тому, що й ставлення лінійних розмірів випромінювача до довжини хвилі постійний і випромінююча структура повністю визначається її полярними кутами, то спрямованість антени виявляється абсолютно незалежної від частоты.

[pic] Див. Мал.5. Логарифмічна спираль.

Равноугольная спіраль (рис. 5) будується в полярних координатах по уравнению.

[pic] де [pic] — радиус-вектор на початку спіралі ([pic]); а — коефіцієнт, визначальний ступінь збільшення радиус-вектора зі збільшенням полярного кута [pic]. Двухзаходная спіраль утворюється двома провідниками чи щілинами, але у на відміну від архимедовой спіральної антени товщина їх мінлива і зростає збільшенням кута [pic]. Нехай початковий радиус-вектор на внутрішньої кордоні 1-го провідника дорівнює [pic] і внешней[pic]. Тоді рівняннями граничних спіралей являются.

[pic] (8).

[pic]. (9).

4.2. Для оцінки диапазонности логарифмічною спіралі досліджуємо залежність відносини [pic] від кута [pic]. Чисельник дробу [pic], а оскільки [pic], то знаменник дробу і дані ставлення [pic],(10) де [pic]. Отже, зміна довжини хвилі викликає лише усунення активної області спіралі певний кут [pic], а ставлення [pic] і спрямоване дію антени від послуг цього не змінюються. Якби спіраль була безкінечною, то диапазонность антени була безмежної, а цілком реальна антена має конечную длину і ефективно в обмеженому, хоча й широкому діапазоні хвиль [pic], причем [pic] визначається максимальної довжиною спіралі, а [pic] — мінімальними розмірами вузла харчування. 4.3. Логарифмічна спіраль працює у режимі котрі біжать хвиль (внаслідок випромінювання струм загасає до кінця спіралі), і його вхідний опір [pic] Ом. [pic] Див. Мал.6. Щелевая пласка логарифмічна спіральна антена Типова щелевая логарифмічна спіраль (рис. 6) має максимальну довжину галузі 42,3 див, початковий радіус 0,51 див і коефіцієнт [pic] = 0,303. Антена випромінює хвилі з обертовою поляризацією буде в діапазоні [pic] див і [pic] вбирається у двох при харчуванні спіралі від 50-Ом коаксіального кабелю. Параметри антени перебувають у припустимих межах навіть за двадцатикратном зміні довжини хвилі. 5. Пример розрахунку спіральної циліндричною антени. Для побудови діаграми спрямованості антени, користуючись експериментальними даними дослідження спіральних антен [1.Рис.1.3.XXV.], вираховую по формулам (4) — (7) функцію спрямованості антени. [pic] З огляду на: [pic] підставимо все значення формулу (4): [pic]. Використовуючи додаток «MathCAD 7 professional» отримав такий вигляд діаграми спрямованості антени:. За формулою 5 розраховую ширину діаграми направленности:

[pic]21.586. Коефіцієнт спрямованого дії: [pic]70.768. Вхідний опір: [pic].

Отже, циліндричні і конічні спіральні антени широкосмугові з осьовим випромінюванням хвиль кругової поляризації. Спрямованість циліндричних спіралей середня, а конічних — нижчу за середню (не вся спіраль бере участь у випромінюванні на даної частоті), але останні мають більшої диапазонностью. Застосовуються й ті та інші як самостійні антени в діапазонах дециметрових і метрових хвиль, і навіть як облучатели антен сантиметрових волн.

Список використаної литературы.

1.Айзенберг Г. З. Антени ультракоротких хвиль. «Связьиздат», М.1957.700 с.

2.Лавров А. С., Резников Г. Б. Антенно-фидерные устрою. «Сов.радио», М., 1974,368 с.

3.Белоцерковский Г. Б. Основи радіотехніки і антенны. В 2-х ч.

Ч. 2. Антенны-М.:Радио і связь, 1983;296с.

———————————;

[pic].