Навигация
Расчетные соотношения для цилиндрической спиральной антенны
15704
знака
0
таблиц
14
изображений
2. Расчетные соотношения для цилиндрической спиральной антенны.
2.1. Чтобы получить максимальный КНД, нужно установить оптимальный коэффициент замедления
, при котором в направлении оси спирали 0'0" (рис. 2) поля первого и последнего витков находятся в противофазе. Иначе говоря, необходимо дополнить условие (1) задержкой волны тока спирали на полупериод Т/2, а в каждом витке ее — на :
.
Отсюда находим оптимальный коэффициент замедления вдоль провода спирали:
, (2)
При этом, правда, получается эллиптическая поляризация, но так как, то коэффициент
весьма незначительно отличается от 
и полученную поляризацию можно считать круговой. Полагая = 1,2 ... 1,3, определим из выражения (2) угол подъема спирали, соответствующий оптимальным условиям работы антенны
:
Отсюда
, (3)
Длина спирали 
подбирается в соответствии с оптимальным коэффициентом замедления вдоль оси спирали
. При =1,2…1,3 имеем
, что соответствует углу подъема спирали =12 ... 16° и числу витков р = 5 ... 14.
2.2. Рассматривая каждый виток спирали как элементарный излучатель с фазовым центром на оси 0'0", определяем функцию направленности антенны 
как произведение функции направленности одного витка 
на множитель решетки из р элементов
. Так как р велико, а направленность одного витка мала, то принимаем
. В результате имеем
(4)
Угол 
, как и прежде, отсчитывается от перпендикуляра к оси линейной решетки.
2.3. Для спиральных антенн оптимальных размеров опытным путем установлены следующие формулы:
ширина диаграммы направленности
, (5)
коэффициент направленного действия
, (6)
входное сопротивление
, (7)
2.4. Итак, цилиндрические и конические спиральные антенны широкополосные с осевым излучением волн круговой поляризации. Направленность цилиндрических спиралей средняя, а конических — ниже средней (не вся спираль участвует в излучении на данной частоте), но последние обладают большей диапазонностью. Применяются и те и другие как самостоятельные антенны в диапазонах дециметровых а метровых волн, а также как облучатели антенн сантиметровых волн.
3. Плоская арифметическая спиральная антенна.
3.1. В процессе развития радиотехники все больше требуются антенно-фидерные устройства, рассчитанные на работу в очень широком диапазоне частот и притом без всякой перестройки. Частотная независимость таких антенно-фидерных устройств основана на принципе электродинамического подобия.
Этот принцип состоит в том, что основные параметры антенны (ДН и входное сопротивление) остаются неизменными, если изменение длины волны 
сопровождается прямо пропорциональным изменением линейных размеров активной области антенны. При соблюдении данного условия антенна может быть частотно-независимой в неограниченном диапазоне волн. Однако размеры излучающей структуры конечны и рабочий диапазон волн любой антенны тоже ограничен.
Из этой группы антенн рассмотрим плоские арифметические и равноугольные спирали и логарифмически-периодические антенны.
Рис.4. Арифметическая спираль
3.2. Арифметическая спираль выполняется в виде плоских металлических лент или щелей в металлическом экране (рис. 4). Уравнение этой спирали в полярных координатах
где 
— радиус-вектор, отсчитываемый от полюса О; а — коэффициент, характеризующий приращение радиус-вектора на каждую единицу приращения полярного угла ; b — начальное значение радиус- вектора.
Спираль может быть двухзаходной, четырёхзаходной и т. д. Если спираль двухзаходная, то для ленты (щели) /, показанной штриховыми линиями, угол 
отсчитывается от нуля, а для ленты //, показанной сплошными линиями, — от 180°, т. е. спираль образована совершенно идентичными лентами, повернутыми на 180° друг относительно друга.
Начальные точки ленты / соответствуют радиус-векторам, которые обозначим 
и . Следовательно, ширина ленты
. Описав один оборот, лента занимает положение D, в котором радиус-вектор больше начального на. На этом отрезке ВD размещаются две ленты и два зазора, и если ширина их одинаковая, то, Отсюда определяем коэффициент
.
3.3. Питание спирали может быть противофазным, как на рис. 4, или синфазным. В первом случае токи через зажимы А, В, соединяющие ленты с фидером, имеют противоположные фазы. Путь тока в ленте / больше, чем в ленте //, на полвитка. Например, в сечении СD лента // попадает, описав полвитка, а лента / — один виток, в сечение ЕF—соответственно полтора и два витка и т. д. Поскольку длина витка по мере развертывания спирали возрастает, увеличивается расхождение фазы токов в лентах. Обозначив средний диаметр витка находим сдвиг по фазе, соответствующий длине полувитка:
Если к этому прибавить начальный сдвиг, равный 
, то получим результирующее расхождение по фазе токов в смежных элементах двухпроводной линии
За счет второго слагаемого угол 
отличен от , а в таких условиях электромагнитные волны излучаются, даже если зазор между лентами мал по сравнению с длиной волны.
Интенсивно излучает только та часть спирали, в которой токи смежных элементов обеих лент совпадают по фазе:
Подставляя 
, находим, что средний диаметр первого «резонансного» кольца 
, а периметр этого кольца .Средний диаметр и периметр второго (k=2), третьего (k=3) и т. д. «резонансных» колец соответственно в три, пять, ... раз больше. Так как излучение радиоволн спиралью вызывает большое затухание тока от ее начала к концу, то интенсивно излучает только первое резонансное кольцо, а остальная, внешняя часть спирали как бы «отсекается» {явление отсечки излучающих токов}.
3.4. Активная часть спирали представляет наибольший интерес и по другой причине. Затухание тока, вызванное излучением, настолько велико, что отражение от конца спирали практически отсутствует, т. е. ток в спирали распределяется по закону бегущих волн. К тому же периметр первого резонансного кольца равен длине волны 
. В таких условиях, как показано в п. 1, происходит осевое излучение с вращающейся поляризацией, которое в данном случае наиболее желательно.
Диаметр спирали должен быть достаточно велик, чтобы на максимальной волне диапазона сохранилось первое «резонансное» кольцо (),а с уменьшением длины волны это кольцо должно сжиматься до тех пор () , пока оно еще может полностью разместиться вокруг узла питания. Тогда в пределах отношение среднего периметра первого «резонансного» кольца к длине волны 
остается постоянным и тем самым выполняется основное условие сохранения направленных свойств антенны в широком диапазоне волн Правда, направленность арифметической спирали невелика (60 ... 80°), поскольку в излучении волн участвует, по существу, только та часть спирали, которая имеет средний периметр, равный .
Второе условие получения диапазонной антенны—постоянство входного сопротивления — достигается здесь тем, что спираль работает в режиме бегущей волны тока. Это сопротивление активное (100—200 Ом). При питании от коаксиального фидера ( Ом) согласование производят ступенчатым или плавным трансформатором.
3.5. Спираль излучает по обе стороны своей оси. Чтобы сделать антенну однонаправленной, ленточную спираль помещают на диэлектрической пластине толщиной 
, другую сторону которой металлизируют. Если же спираль щелевая, то ее вырезают на стенке металлического короба; тогда противоположная стенка короба играет роль отражающего экрана, а сам короб является резонатором. Чтобы уменьшить его глубину, короб заполняют диэлектриком.
Одна из типовых спиралей имеет диаметр 76 мм, выполнена на пластине из эпоксидного диэлектрика, снабжена резонатором глубиной 26 мм, работает в диапазоне волн 
7.5 ... 15 см при , ширине диаграммы направленности 2' = 60... 80° и коэффициенте эллиптичности в направлении максимума главного лепестка менее 3 дБ, т. е. практически поляризацию можно считать круговой. Плоские спиральные антенны удобно изготовлять печатным способом на тонких листах диэлектрика с малыми потерями на высоких частотах.
Похожие работы
... 2α≈0,4λмакс; продольный размер в зависимости от требуемого коэффициента перекрытия диапазона и направленности лежит в пределах L≈(1...4)λмакс. 1.2 Плоская арифметическая спиральная антенна Рис.1.2.1. Арифметическая спираль 1.2.1 Арифметическая спираль выполняется в виде плоских металлических лент или щелей в металлическом экране (рис. 1.2.1). Уравнение этой ...
... на значении рабочей частоты и длине антенной решетки, которые являются, исходными данными для расчета вычисляем параметры одиночной спиральной антенны и ее ДН. После этого используя значения угла сканирования и уровня боковых лепестков, вычисляется количество излучателей решетки, расстояние между ними, а также ДН множителя решетки. После этого вычисляется ДН линейной антенной решетки. Расчет ...
... конусной части линии, должно быть: (7) [л.3.стр159] где: -волновое сопротивление конусной части перехода -волновое сопротивление подводящего фидера 75 Ом -волновое сопротивление спиральной антенны Ом По известному волновому сопротивлению можно определить отношение диаметров элементов коаксиального тракта: lg ( Ом ) (8) Для коаксиального устройства с воздушным заполнением и Ом ...
... могут поддерживать либо волны Е, либо волны Н, либо те и другие, отличающихся конструктивным выполнением и формой поверхности. Антенны с плоскими и_цилиндрическими непрерывными замедляющими структурами называют антеннами поверхностных волн. Примерами антенн с замедленной фазовой скоростью являются: диэлектрические стержневые антенны, спиральные антенны, антенны «волновой канал», различные виды ...
0 комментариев