3. Спіральні антени Федюк 3 варіант

3.1. Теоретична частина

Спіральні антени відносяться до класу антен біжучої хвилі. Вони являють собою металеву спіраль, що живиться лінією від генератора. Існують циліндричні (рис.3.1,а), конічні (рис.3.1,6) та плоскі спіральні антени (рис. 1,в).

Рис.3.1. Спіральні антени

Випромінюючою частиною антени є провідник, навитий у вигляді спіралі. Каркас виконується з діелектрика і грає роль несучої конструкції, яка не повинна суттєво впливати на умови поширення хвилі по провіднику. Залежно від кількості гілок спіралі можуть бути однозахідними (одна гілка), двозахідними (дві гілки) і т. ін. Для отримання одностороннього випромінення спіраль розташовують перед металевим екраном -рефлектором.

При збудженні спіралі від генератора виникає кілька типів хвиль. відносні амплітуди та фазові швидкості яких залежать від кута підйому спіралі а та електричної довжини кг, де г- радіус витка спіралі. Вказані хвилі позначають символами Тn , де індекс n - дорівнює кількості довжин хвиль струму, що вкладається на одному витку. Форма діаграми направленості (ДН) спіралі залежить в основному лише від хвилі, що переважає, тип якої визначається співвідношенням між довжиною витка спіралі L та робочою довжиною хвилі λ.

Для циліндричної спіральної антени розрізняють три режими роботи:

1. Якщо довжина витка L спіралі (або її діаметр) набагато менша від довжини хвилі λ, то кожний виток можна розглядати як елементарний магнітний випромінювач у вигляді плоскої рамки. При цьому в спіралі переважатиме хвиля То з постійною амплітудою та фазовою швидкістю V = С (С - швидкість світла) вздовж антени. Таку антену можна представити як сукупність орієнтованих вздовж осі антени магнітних диполів, розташованих на віддалі, значно меншій від довжини хвилі. За теорією елементарних випромінювачів ДН антени має вид тороїда з максимумом випромінювання, розташованим перпендикулярно до осі антени (рис.3.2,а).

2. Якщо довжина спіралі лежить у межах (0,7...1,3) λ, то на ній переважає хвиля із сповільненою фазовою швидкістю (V ≈ 0,8 С). В спіралі встановлюється сповільнена біжуча хвиля, що визначає режим осьового випромінювання (рис.3.2, 6). Хвиля То, що також існує у спіралі, швидко загасає по довжині спіралі і її вклад у ДН невеликий.

3. Якщо довжина витка спіралі більша за 1,5 λ на циліндричній спіралі крім хвилі виникають хвилі Т2, Т3 і т.д., які можуть відігравати основну роль у випромінюванні порівняно з хвилею . Така антена випромінює під кутом до своєї осі, утворюючи ДН у формі конуса (рис.3.2, в).

Режим, який найбільше використовується при роботі спіральних антен, є режимом осьового випромінювання. У цьому режимі спіральна антена випромінює поле з обертовою поляризацією, при якій вектор напруженості електричного поля обертається у напрямку навивання спіралі.

Рис.2.Діаграми направленості при різних режимах роботи спіральної антени.

Умова отримання колової поляризації поля виконується, якщо

(1)

де: S - крок навивання спіралі, V - фазова швидкість хвилі у спіралі.

Коефіцієнт направленої дії (КНД) спіральної антени максимальний, якщо у точці спостереження, яка знаходиться на продовженні осі антени, створювані крайніми витками поля зсунуті по фазі на 180°. Це відповідає умові:

(2)

де: n - кількість витків спіралі.

При великій кількості витків Lо незначно відрізняється від , тобто забезпечується максимальний КНД при майже коловій поляризації поля. Між геометричними розмірами циліндричної спіральної антени існують такі співвідношення:

, sin α = S/L, l = n· S (3….5)

ДН в площині, що проходить через вісь антени, може бути наближено представлена добутком ДН окремого витка F1( ) на ДН решітки Fс ( ) з n ненаправлених випромінювачів:

F ( ) = F1 ( ) · FC ( ), (6)

де: - кут відносно осі спіралі.

Вирішальну роль у виразі (6) відіграє множник системи Fс ( ), який для антен біжучої хвилі, що складаються з дискретних ненаправлених випромінювачів, має вигляд:

де: - коефіцієнт фази.

Інші параметри антени обчислюються за емпіричними формулами, справедливими для 5 < п < 14 та 12°< а < 15°. Так, ширина головного пелюстка ДН на рівні половинної потужності, а також на нульовому рівні визначається виразами:

Коефіцієнт направленої дії:

(10)

Вхідний опір:

(11)

Розміри спіральної антени розраховують за заданими КНД та шириною ДН за допомогою виразів (8) - (10). Довжину витка L приймають такою, що дорівнює довжині хвилі у повітрі, а ширину робочого діапазону з умови 0,75 ≤ L/λ ≤ 1,3. Значення L та S вибираються виходячи з виконання умови (1) або (2). Кут α звичайно лежить у межах 8...15°, [ S = (0,15...0,3 )·λ]. При орієнтовних розрахунках відношення С/V можна брати таким, що дорівнює 1,25. Радіус диска (екрана) звичайно беруть в межах (0,5...0,8)-/l Ширина головного пелюстка ДН спіральної антени за рівнем половинної потужності складає не менше 20...250.

Конічні спіральні антени мають кращі діапазонні властивості, ніж циліндричні. У конічної спіралі довжина витка та відстань між витками змінні (кут α залишається постійним), тому як параметри використовують: мінімальний радіус спіралі rmin кількість витків спіралі n, кут підйому витка а та половину кута при вершині конуса β. На практиці для конічної спіралі приймають, що довжина витка першого від вершини конуса дорівнює L1 = 0,75·λ , останнього Ln = 1,3·λ; тоді кут при вершині конуса пов'язаний з кутом підйому витка співвідношенням:

(12)

Циліндричні та конічні спіральні антени широко застосовуються в діапазонах сантиметрових, дециметрових та рідше, метрових хвиль. Вони використовуються або як самостійні антени середньої направленості, або як опромінювачі високонаправлених параболічних та лінзових антен.