Дипломная работа: Спиральные антенны

длину и эффективно работает в ограниченном, хотя и очень широком диапазоне волн ,причем  определяется максимальной длиной спирали, а  — минимальными размерами узла питания.

4.3. Логарифмическая спираль работает в режиме бегущих волн (вследствие излучения ток затухает к концу спирали), и ее входное сопротивление  Ом.

Рис.1.3.2. Щелевая плоская логарифмическая спиральная антенна

Типовая щелевая логарифмическая спираль (рис. 6) имеет максимальную длину ветви 42,3 см, начальный радиус 0,51 см и коэффициент  = 0,303. Антенна излучает волны с вращающейся поляризацией в диапазоне  см и  не превышает двух при питании спирали от 50-Ом коаксиального кабеля. Параметры антенны находятся в допустимых пределах даже при двадцатикратном изменении длины волны.

1.4 Коническая спиральная антенна

Коническая спиральная антенна (рис.1.4.1) состоит из двух металлических полосок, расположенных на поверхности конуса θ=θ0, конфигурация которых дается уравнением

θ=1800

θ=0

Рис.1.4.1 Коническая спиральная антенна

Угол  между радиусом и касательной к спирали равен arctg а. Таким образом, плоская спираль есть частный случай конической при θ = 900.

В случае конуса можно говорить о самодополнительной структуре, имея в виду идентичность участков поверхности конуса, покрытых полоской и свободных от нее. Положение тех и других отличается на угол поворота 900; иначе говоря, ширина ветви δ на рис.1 равна 900. Оказывается, что самодополнительная структура обеспечивает наилучшую диаграмму направленности. Переход к конической форме позволяет выявить одну важную особенность спиральных антенн, которая не могла быть обнаружена при плоской форме спирали: излучение происходит за счет волны, перемещающейся внутрь по направлению к внешней спирали.

Глава 2. Свойства спиральных антенн

2.1 Спиральные антенны и виды волн в них

Спиральные антенны являются слабо - и средненаправленными широкополосными антеннами эллиптической и управляемой поляризации. Они применяются в качестве самостоятельных антенн, облучателей зеркальных и линзовых антенн, возбудителей волноводно-рупорпых антенн эллиптической и управляемой поляризации, элементов антенных решеток.

Спиральные антенны --это антенны поверхностных волн. По виду спирали ''направителя" (замедляющей системы) и способу обеспечения работы в широком диапазоне частот их можно разделить на:

---цилиндрические регулярные, у которых геометрические параметры (шаг, радиус, диаметр провода) постоянны по всей длине и широкополосность обусловлена наличием дисперсии фазовой скорости;

--эквиугольные или частотно-независимые (конические, плоские);

--нерегулярные, у которых параметры есть функции координаты вдоль длинны спирали.

Спиральная антенна --- это антенна бегущей волы. Волна тока, распространяясь от места возбуждения вдоль провода спирали, доходит до его свободного конца и отражается в обратном направлении. Подбором геометрии спирали и частоты питающего напряжения можно добиться быстрого спада как падающей, так и отраженной волн тока (рис2.1.1

Рис. 2.1.1

Эти волны интерферируют друг с другом. Так как на большей части провода спирали амплитуда падающей волны значительно превосходит амплитуду волны отраженной, то в результате интерференции распределение амплитуды тока вдоль спирали будет примерно таким, как показано на рис 2.1.2

Рис 2.1.2

В этом случае на большей части провода спирали амплитуда тока будет почти постоянной, а фаза будет изменяться почти по линейному закону т.е. мы можем считать, что на большей части провода спирали имеет место бегущая волна тока. Отсутствие заметной отраженной волны тока в некотором интервале частот обеспечивает достаточно хорошее постоянство входного сопротивления и характеристик направленности в этом интервале.

Но указанными свойствами спиральная антенна обладает только при определенных условиях.

Распространяющаяся вдоль провода спирали бегущая волна тока не может вызвать внутри спирали электромагнитных волн типа H или E, так как это имеет место в волноводе со сплошными проводящими стенками. Благодаря более сложным анизотропным граничным условиям на образующей поверхности спирали указанная волна тока возбуждает внутри спирали электромагнитные волны более сложной структуры. Эти волны принято обозначать символом- Tn где n—число длин волн тока, укладывающихся на окружности витка цилиндра, поверхность которого является образующей спирали.

Характеристики направленности спиральной антенны существенным образом зависят от возбужденного в спирали типа волны.

Это можно наглядно показать, рассмотрев работу спирали с малым углом намотки. Если в спирали имеет место волна T0, то можно считать, что на протяжении одного витка спирали амплитуда, и фаза тока изменяются столь незначительно, что их можно считать постоянными. Поля, созданные на оси спирали симметричными элементами витка, как это видно на рис.1.3, взаимно компенсируют друг друга. Излучение вдоль оси спирали отсутствует. Основной составляющей поля в этом случае является, осевая составляющая.

В направлении, перпендикулярном оси, поля от укачанных элементов витка не будут уничтожать друг друга благодаря разности расстояния от точки наблюдения до каждого из симметричных элементов витка. Но так как эта разность расстояний значительно меньше длины волны, то поле в этом направлении будет слабым, хотя и наибольшим по сравнению с полями в любом другом направлении. Характеристика направленности будет иметь вид, показанный на рис. 2.1.4. Спираль, работающая в таком режиме, применятся в качестве элементов антенны, так же как замедляющая структура в ЛБВ, и кроме того в качестве приемопередаточной антенны сотовых аппаратов

Рис. 2.1.3. Рис,2.1.4.

Если в спирали имеет место волна типа T1, то на каждом витке её тока, оставаясь постоянным по амплитуде, дважды меняет своё направление. Из рис.2.1.5 видно, что в этом случае токи в симметричных элементах витка равны по величине и одинаковы по направлению. Поля от таких элементов в точках, лежащих на оси спирали, будут складываться. Основными составляющими поля спирали становятся поперечные составляющие. Осевая составляющая поля становится незначительной. Излучение в направлении оси будет наибольшим.

Рис .2.1.5. Рис, 2.1.6.

Характеристика направленности примет вид, изображенный на рис.1.6. она состоит из одного почти симметричного относительно оси спирали главного лепестка и нескольких боковых лепестков, уровень которых значительно ниже уровня главного лепестка. Такая форма характеристики направленности обусловлена тем, что спираль в этом режиме представляет собой как бы решетку излучателей, поля которых синфазно складываются в направлении оси.

Подобная форма характеристики направленности сохраняется в широком диапазоне частот. Это объясняется тем, что изменение фазовой скорости волны тока в этом диапазоне происходит так, что ноля всех витков по-прежнему складываются синфазно в направлении оси спирали. Такой режим работы спирали называется режимом осевого излучения. Ширина главною лепестка характеристики направленности и величина боковых лепестков зависят от числа витков спирали. Главный лепесток тем уже, чем больше число витков.

Если в спирали имеет место волна типа Т2, то на каждом витке спирали ток, оставаясь постоянным по амплитуде, будет менять своё направление четыре раза, как это показано на рис 2.1.7.

Рис.2.1.7                  Рис.2.1.8

Токи в симметричных элементах витка равны по величине и противоположны по направлению. Поперечные составляющие поля на оси спирали будут равны нулю. Излучение вдоль оси спирали отсутствует. Характеристика направленности примет вид, показанный на рис.1.8

Спираль, работающая в таком режиме, широкого применения в качестве антенны пока не нашли.

Аналогичным образом, рассмотрев режимы высших типов волн T3, T4 …, придем к выводу, что характеристики направленности, соответствующие этим режимам, также имеют вид, изображенный на рис.1.8. Спирали, работающие в режимах волн высших типов, применения в качестве антенн также пока не нашли.

Из приведенных рассуждений следует, что наиболее приемлемой характеристикой направленности в случае, когда нужно получить максимальный КНД, обладает спираль, работающая в режиме волны Т1.

Нетрудно показать, что спиральная антенна, работающая в режиме Т1, создает в направлении своей оси излучение круговой поляризации. Физически можно считать, что две ортогональные составляющие поля на оси спирали создаются двумя парами диаметрально противоположных элементов витка спирали. Но так как каждый виток спирали обтекается бегущей волной тока, то токи в этих элементах равны но амплитуде и сдвинуты по фазе на 90°; следовательно, ортогональные поперечные составляющие поля на оси спирали, созданные этими токами, также будут равны по амплитуде и сдвинуты по фазе на 90°, т.е. образуют поле круговой поляризации.

По мере увеличения отраженной волны от открытого конца спирали круговая поляризация излучения вдоль оси переходит в эллиптическую.

Из чисто геометрических соображений видно, что спираль, создающая вдоль оси излучение крутвой поляризации, в других направлениях создает излучение эллиптической поляризации, переходящее по мере удаления от оси в изучение линейной поляризации.

Во всем интервале сущеествования режима Т1, амплитуда волны тока отражённой от открытого конца спирали, остается малой иизменяется незначительно. Это обусловливает относительное постоянство как активной, так и реактивной частей входного сопротивления спиральной антенны, рботаюшей в этом режиме.

Незначительность амплитуды отраженной волны тока от открытого конца спирали, работающей в режиме T1, приводит к тому, что излучение спирали в направлении к ее входу оказывается настолько слабым, что в ряде случаев им можно пренебречь. На металлический экран, расположенный в плоскости входа антенны, падает слабое поле, и его влияние на поле, созданное спиралью в переднем полупространстве, весьма незначительно.

Опыт показывает, что спираль, работающая в режиме Т1 сохраняет относительное постоянство своих характеристик и параметров в более широком интервале частот, чем при работе в других режимах. Регулярная спираль, работающая в таком режиме, нашла наибольшее применение в антенной технике.

2.2 Широкополосность антенн

Как известно, одной из важных характеристик антенны является ее полоса пропускания, т. е. полоса частот, в пределах которой обеспечивается передача (прием) без существенных искажений всего спектра частот передаваемого (принимаемого) сигнала.

В основном ширина полосы пропускания антенны определяется зависимостью ее входного сопротивления от частоты. Эта зависимость приводит к изменению величины относительной амплитуды и фазы напряженности излучаемого поля на. различных частотах спектра сигнала, что при приеме вызывает искажения последнего. При питании антенны фидером изменение ее входного сопротивления вызывает рассогласование, т.е. появление отраженных волн в фидере, что приводит к нелинейности фазовой характеристики фидера и к искажению формы передаваемого или принимаемого сигнала. Особенно существенны искажения широкополосных сигналов (телсвидсние, многоканальная радиорелейная телефонная связь).

В идеальном случае в требуемой полосе частот активная составляющая входного сопротивления- Rвх постоянна и реактивная сосывляющая – Xвх равна нулю. Добиться этого в достаточно широкой полосе частотпринципиально невозможно, поэтому устанавливают определенные допуски на изменение Rвх и Xвх зависящие от характера передаваемого или принимаемого сигнала.

Зависимость направленных свойств антенны от частоты также влияет на относительную величину напряженности поля в точке приема на различных частотах спектра передаваемого сигнала, что также может вызвать искажение этого сигнала. Однако, обычно, в пределах требуемой полосы пропускания направленные свойства антенны изменяются мало.

Диапазоном использования - (рабочим диапазоном) антенны будем называть диапазон частот, в пределах которого антена удовлетворяет определенным техническим требованиям. Ширина рабочего диапазона, а также требования, предъявляемые в нем к антенне, могут быть различными. Например, в случае длинноволновых и средневолновых антенн кпд их в рабочем диапазоне не должен быть ниже определенной величины, должна быть обеспечена возможность передачи заданной мощности, на различных рабочих волнах заданного диапазона должна быть обеспечена необходимая полоса пропускания. В случае коротковолновых антенн направленные свойства во всем рабочем диапазоне должны оставаться приемлемыми, входное сопротивление должно изменяться в допустимых пределах, чтобы можно было переходить с одной рабочей волны на другую без перестройки антенны и т. д.

Допустимые изменения входного сопротивления антенны в заданном диапазоне волн в основном определяются необходимостью обеспечения нормальных условий работы генератора, приемлемого кпд фидера и отсутствия перенапряжений в фидере. Уменьшение зависимости входного сопротивления от частоты одновременно приводит к расширению рабочего диапазона антенны и к расширению её полосы пропускания. В заданном рабочем диапазоне требование к направленным свойствам антенны могут быть различными. В некоторых случаях основным может являться постоянство направления максимального излучения, в других – уровень боковых лепестков, в третьих – ширина главного лепестка др.

С точки зрения рабочего диапазона современные антенны можно разбить на:

а) узкополосные (настроенные), основные параметры, которых (входное сопротивление, ширина диаграммы направленности, КНД и др.) сильно зависят от частоты, вследствие чего эти антенны могут работать без перестройки только в узкой полосе частот (относительная полоса частот составляет менее 10%);

б) широкодиапазонные, работающие без перестройки в широком диапазоне частот (от десяти процентов и выше), причем их основные параметры зависят от частоты, но значительно слабее, чем у настроенных антенн;

в) частотнонезависимые, основные параметры, которых теоретически не зависят от частоты.

Построение частотнонезависимых антенн основано на принципе электродинамического подобия, утверждающего, что при одновременном изменении длины волны и всех геометрических размеров антенны в одинаковом отношении (величина этого отношения называется масштабным множителем) характеристики антенны (диаграмма направленности, входное сопротивление и др.) остаются неизменными.

Во всех частотнонезависимых антеннах на данной длине волны в излучении участвует только часть антенны (активная область). При изменении длины волны эта область без изменения своих относительных размеров (размеров в долях волны) перемещается вдоль антенны.

Спиральные антенны относятся к широкодиапазонным и даже к частотно-независимым антеннам (квазичастотно-независимым).

2.3 Фазовые скорости волн тока, вдоль провода регулярной цилиндрической спирали

Для расчета характеристик и параметров сппрпльной антенны необходимо знание фазовой скорости волны тока, распространяющейся вдоль провода спирали. Только зная эту величину, можно производить расчёт характеристик направленности, коэффициента направленного действия, фазовых характеристик, поляризационных характеристик входного сопротивления спиральных антенн.

Чтобы иметь возможность производить расчет перечисленных характеристик и параметров спиральной антенны в широком интервале частот, необходимо установить зависимость фазовых скоростей волн тока, распространяющихся вдоль провода спирали, от геометрии спирали и частоты возбуждающего спираль напряжения.

Методам нахождения фазовой скорости волны тока, распространяющейся вдоль провода спирали, и установлению зависимостей этой скорости от геометрии спирали и частоты посвящено большое количество работ. Первая попытка решения этой задачи принадлежит Поклингтону, который еще в 1897 году, решив задачу об определении фазовой скорости электромагнитной волны, распространяющейся вдоль прямого провода и вдоль кольца, пытался рассмотреть вопрос о распространении электромагнитных волн вдоль спирали. Это удалось ему сделать для ряда частных случаев. Он показал, что при распространении электромагнитных волн вдоль спирали фазовая скорость этих волн может быть больше или равна скорости этих волн в свободном пространстве. Случай, когда фазовая скорость может быть меньше скорости распространения электромагнитных волн в свободном пространстве, им установлен не был. Ввиду отсутствия в то время применений спирали работа представляла чисто математический интерес.

Если не считать отдельных работ в этом направлении, связанных с распространением электромагнитных волн в катушках, интерес к вопросу о распространении электромагнитных волн в спирали снова возник в конце 40-х годов в связи с широким применением спиралей в качестве замедляющих структур, фидерных линий и в качестве антенн эллиптической поляризации.

Наиболее общий метод нахождения фазовых скоростей волн тока, распространяющихся вдоль регулярной бесконечной цилиндрической спирали, предложен в работе С.Х.Когана. Однако получение численных значений фазовых скоростей по формуле Когана и установление зависимостей фазовых скоростей от геометрии спирали и частоты требуют громоздкой расчётной работы. Поэтому естественны дальнейшие попытки со стороны других авторов или предложить новые, более простые методы расчёта фазовых скоростей волн тока, распространяющихся вдоль провода спирали, или же упростить расчетную часть метода С. X. Когана.

Упрощенный метод расчета фазовой скорости предложил Л.А. Вайнштейном. Метод основа на наложении граничных условий не на суммарное поле спирали, представляющее собой в общем случае бесконечную сумму гармоник, а на отдельные гармоники поля, причем граничные условия не учитывали периодичности структуры спирали. Аналогичный метод применялся ранее Ф.Олендорфом, Д. Н. Лошаковым и Е. Б. Ольдероге для симметричного типа колебаний, а также К.Шульманом и М.Хиги, Р.Филлипсом и Г.Малиным для несимметричных волн. Этот метод доведен до стройной приближенной теории спиральной линии передачи. Недостатком метода, обусловливающим его простоту, является неучет поля гармоник более низшего и всех высших типов при нахождении поля заданной гармоники. Этот недостаток приводит к не вполне точным численным значениям фазовой скорости, и для получения правильных качественных результатов к необходимости искусственного сшивания решений, полученных для различных типов волн.

Б.Я. Мойжесом при решении задачи для симметричной волны были применены усредненные граничные условия, учитывающие периодичность спирали, что привело к некоторой численной поправке в имеющихся результатах. Применение в последующем метода Б. Я. Мойжеса к расчёту фазовой скорости несимметричных волн, произведенное Н.Н.Смирновым также привело к некоторой поправке в результатах, полученных, методам анизотропно-проводящего цилиндра, хотя применение метода к указанным случаям нельзя считать вполне обоснованным, так как распределение поля вдоль спирали при несимметричных волнах не соответствует исходному, принятому Б.Я. Мойжесом при нахождении усредненных граничных условий.

Другой метод упрощения задачи вычисления фазовых скород в спирали предполагает строгую постановку задачи и решение ее в общем, виде до получения дисперсионного уравнения и последующее упрощения уравнения, используя физические предпосылки. Такими предпосылками является наличие в спирали так называемого «пространственного резонанса». Это явление заключается в том, что при некоторых условиях суммарное поле спирали в основном определяется одной из его гармоник (что собственно делает возможным применение к спирали и отмеченных выше методов). Выделение в дисперсионном уравнении членов, соответствующих резонируемым гармоникам, впервые было произведено Фаулсром, причем нерезонансные члены отбрасывались. Приближенное суммирование нерезонансных членов для спиралей с малыми углами намотки произведено Н.Н.Смирновым. При этом за основу бралось дисперсионное уравнение, полученное С.X. Коганом. Аналогичным методом уравнение С. X. Когана упрощено для спиралей с произвольным углом намотки в работе О.А.Юрцева Упрощение расчетной части метода С. X. Когана предложено также в работе А. Н. Казарина. Расчет фазовых скоростей волн тока, распространяющихся вдоль провода спирали, доведен в этой работе до простой расчетной формулы или простых графических операций, вполне приемлемых для инженеров-практиков. Результаты расчетов хорошо совпадают с экспериментальными данными, хотя некоторые соображения, положенные в основу упрощения, нельзя считать строго обоснованными.

Рассмотренный метод, предполагающий строгую постановку задачи в самом начале приводит к более точным качественным и количественным конечным результатам.

Другая математическая модель поля излучения, основана на представлении спиральной антенны в виде равномерной линейной решётки из п-излучателей, где в качестве излучателя принимается виток спирали. Фазо- вые соотношения в такой решётке определяются геометрией спирали (шагом или углом намотки и относительным радиусом витка спирали). Данная модель позволяет лишь качественно оценить направленные свойства спиральной антенны с существенным приближением и практически не отражает поляризационную структуру электромагнитного излучения антенны.

2.4 Моделирование антенн

Спиральные антенны относятся к классу антенн бегущей волны. Они представляют собой металлическую спираль, питаемую коаксиальной линией. Спиральные антенны формируют диаграмму направленности, состоящую из двух лепестков, расположенных вдоль оси спирали по разные стороны от нее. На практике обычно требуется одностороннее излучение, которое получают, помещая спираль перед экраном или в отражающей полости. Существуют цилиндрические, конические и плоские спиральные антенны. Вид спиральной антенны может быть выбран по заданному диапазону волн. Если ширина диапазона не превышает 50%, то берется цилиндрическая спираль, коническая спираль обеспечивает диапазон в два раза шире, чем цилиндрическая. Плоские спиральные антенны обладают двадцатикратным перекрытием по рабочему диапазону. В радиолюбительской практике, в диапазоне УКВ, наибольший интерес представляет собой цилиндрическая спиральная антенна с круговой поляризацией и большим коэффициентом усиления. Если мы принимаем сигнал с линейной поляризацией (вертикальной или горизонтальной) на антенну с круговой поляризацией, теряется три децибела, но при этом намного уменьшается глубина замираний. При переотражении сигнала на длинных трассах, мы не знаем с какой поляризацией (или с каким наклоном) приходит сигнал в точку приема, для антенны с круговой поляризацией это не будет иметь никакого значения. Вообще можно отметить, что изготовление в домашних условиях антенн с большим коэффициентом усиления, типа ”волновой канал”, сопряжено с рядом трудностей. Даже имея хороший парк приборов, трудно добиться расчетных значений. Необходимо строго выдерживать линейные размеры. При настройке обычно корректируют не более двух – трех элементов, расположенных рядом с активным вибратором. Расчет и настройка антенн типа “волновой канал” прост только для малого количества элементов. Параметры антенны могут значительно изменяться при небольшом изменении размеров элементов и их взаимного расположения. С ростом числа элементов, количество операций при настройке растет в геометрической прогрессии. Большое количество элементов сужает полосу пропускания антенны, уменьшает входное сопротивление. Увеличение реактивного сопротивления директоров по мере увеличения их числа приводит к уменьшению амплитуд токов в них. При этом особенно сильно уменьшаются токи в директорах, отстоящих далеко от активного вибратора. Поэтому сужение диаграммы направленности директорной антенны с увеличением ее длины происходит значительно медленнее, чем у антенны бегущей волны, элементы которой возбуждаются с одинаковой интенсивностью. По сравнению с директорными антеннами у спиральных антенн размеры являются менее критичными. Не критичность спиральных антенн к точности изготовления – большое их преимущество. При одном и том же усилении, спиральная антенна имеет меньшие размеры, чем антенна волновой канал. Так как полоса пропускания спиральной антенны, намного больше, чем любой любительский диапазон, нет необходимости даже измерять резонансную частоту антенны, достаточно измерить только входное сопротивление и рассчитать под него согласующее устройство, для оптимального согласования антенны с фидером питания.

Страницы: 1, 2, 3, 4