Дипломная работа: Спиральные антенны

Спиральная антенна любого типа (регулярная, эквиугольная, нерегулярная) может быть сконструирована для работы в полосе частот с коэффициентом перекрытия от 1,5 до 5 и более. При этом надо иметь в виду, что у конических и плоских эквиугольных спиральных антенн, частотно-независимых в рабочем диапазоне частот, верхняя граница которого приближенно определяется поперечными размерами структуры у вершины, а нижняя-поперечными размерами структурами у основания, диаграммы направленности и входное сопротивление изменяются периодически как функция логарифма частоты, хотя и в небольших пределах.

Цилиндрические, плоские и конические спиральные антенны с постоянным шагом, а также спиральные антенны на поверхности различных тел вращения (кроме эквиугольных конических) не являются частотно-независимыми. Поэтому в рабочем диапазоне частот их диаграммы направленности изменяются более-менее монотонно. У цилиндрических спиральных антенн с увеличением частоты диаграмма направленности сужается, а у плоских и конических с постоянным шагом-несколько расширяется. У квазичастотно-независимых спиральных антенн изменения характеристик и параметров от частоты может быть различными в зависимости от закона изменения угла намотки по длине антенны и формы поверхности, на которой она намотана.

Из перечисленных типов антенн большей направленностью обладают цилиндрические спиральные и зигзагообразные антенны ( 2θ_0,5 ≥30⁰ , КНД≤25). Направленность частотно-независимых и квазичастотно-независимых антенн меньше ( 2θ_0,5 ≥50…80⁰ ;КНД≈2…12).

Различные типы спиральных антенн отличаются и по габаритам. Минимальные поперечные габариты имеют цилиндрические спиральные антенны, особенно-импедансные спирально-диэлектрические (2α<λ_ср /π). Продольные электрические размеры таких антенн определяются требуемой направленностью. Минимальные продольные габариты имеют плоские спиральные антенны (L≤0,25λ_макс ). Максимальные поперечные размеры этих антенн составляют 2α≈(0,35…0,6)λ_макс .

Конические эквиугольные спиральные антенны, особенно многозаходные из расширяющихся лент, характеризуются наибольшей стабильностью характеристик в рабочем диапазоне частот, но и при наибольших габаритах: наибольший поперечный размер 2α≈0,4λ_макс ; продольный размер в зависимости от требуемого коэффициента перекрытия диапазона и направленности лежит в пределах L≈(1...4)λ_макс .

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 спирали в полярных координатах

(1.2.1)

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. (1.2.2)

Питание спирали может быть противофазным, как на рис. 1.2.1, 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:

(1.2.3)

Если к этому прибавить начальный сдвиг, равный , то получим результирующее расхождение по фазе токов в смежных элементах двухпроводной линии

(1.2.4)

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:

(1.2.4)

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}.

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 периметрапервого «резонансного» кольца к длине волны остаетсяпостоянным и тем самым выполняется основное условие сохранения направленныхсвойств 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.

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.

1.3 Равноугольная (логарифмическая) спиральная антенна

Широкодиапазонность антенн такого вида основана на том, что если отношение линейных размеров излучателя к длине волны остается постоянным и излучающая структура полностью определяется ее полярными углами, то направленность антенны оказывается абсолютно независимой от частоты.