10.2. Спиральные антенны

Спиральные антенны выполняются в виде электрического проводника, свернутого в спираль и образующего направляющую структуру бегущей волны [2—5, 10].

Рассмотрим сначала цилиндрическую спиральную антенну, изображенную на рис. 10.2 [10]. Антенна состоит из спирального проводника, соединенного с внутренним проводником возбуждающего коаксиального кабеля (волновода). Экранирующая оплетка кабеля присоединяется к металлическому диску (экрану), который препятствует протеканию тока по внешней поверхности коаксиального кабеля и одновременно играет роль рефлектора, уменьшая излучение антенны в заднее полупространство. Основные геометрические параметры антенны: длина спирали l, длина витка L, диаметр витка d, шаг намотки S, угол намотки α, число витков n. В зависимости от соотношения размеров антенна может работать в различных режимах с разными ДН и поляризациями.

При диаметре спирали d<λ₀/6 (рис. 10.2) антенна работает как совокупность элементарных рамок и элементарных электрических вибраторов, расположенных вдоль оси спирали. Такая антенна имеет малое сопротивление излучения и низкий КПД и по этой причине практически не используется. Характерная форма ДН показана на рис. 10.3, а.

При диаметре спирали d>0,45λ₀ ДН антенны расщепляется относительно оси спирали. ДН имеет форму конической воронки (рис.10.3, в) [10].

Рис. 10.2. Цилиндрическая спиральная антенна

Наибольший практический интерес представляют собой антенны с диаметром спирали d≈(0,25—0,45)λ₀, создающие максимальное излучение вдоль оси по направлению движения волны тока (рис.10.3, б). В антенне с длиной витка L≈λ₀ и при числе витков больше трех устанавливается режим бегущей волны.

Рис. 10.3. ДН спиральной антенны

Теоретические исследования показывают, что в бесконечной спирали при длине витка L≈λ_сп устанавливается режим бегущей волны тока с фазовой скоростью v≈0,8с (с/v ≈1,25), где с — скорость света, и длиной волны λ_сп≈λ₀v/с, где λ₀ — длина волны в свободном пространстве. При уменьшении длины волны, фазовая скорость повышается, приближаясь к скорости света; при увеличении длины волны — уменьшается. В спирали конечной длины имеет место отражение от конца, но оно обычно невелико (модуль коэффициента отражения напряжения не превышает 0,2). Кроме того, в начале и в конце антенны возникают высшие типы волн. Обычно в первом приближении отражением и высшими типами волн пренебрегают и считают, что амплитуда тока постоянна по длине антенны.

Направленные свойства антенны практически сохраняются в сравнительно широком интервале длин волн, от (0,7—0,8)λ₀ до 1,2λ₀. При этом обеспечивается почти чистая круговая поляризация излучения, направление вращения плоскости поляризации совпадает с направлением намотки спирали.

Ширина главного лепестка ДН по половинной мощности рассчитывается по формуле [10]:

(10.3)

КНД антенны

D =15(L/λ)² n·S/λ. (10.4)

Входное сопротивление антенны получается чисто активным:

R_вх≈140L/λ. (10.5)

Для достижения максимальной широкополосности антенны угол намотки α выбирается равным (12—15)°, S=(0,15—0,3)λ₀. Радиус экрана (сплошного или решетчатого) обычно выбирается в пределах (0,5—0,8)l, где l — длина спирали.

Ширина ДН цилиндрической спиральной антенны по половинной мощности обычно не меньше (20—25)°. Реальное число витков 4—11, поскольку при большем числе витков последние практически не возбуждаются и в излучении не участвуют. Для улучшения направленных свойств спиральные антенны объединяются в антенные решетки поперечного излучения.

Конические спиральные антенны обладают лучшими диапазонными свойствами, чем цилиндрические спиральные антенны. Осевое излучение таких антенн формируется не всей антенной, а лишь активной областью, т.е. витками, длина которых близка к рабочей длине волны. Минимальную длину витка выбирают равной 0,75λ_min, максимальную — 1,3λ_mах. С изменением частоты активная область перемещается вдоль оси антенны.

Широкое применение находят плоские (печатные или полосковые) спиральные антенны, в том числе антенны в виде архимедовой спирали (рис. 10.4) [2, 10, 11].

Рис. 10.4. Плоская спиральная антенна

Двухзаходная спиральная антенна может выполняться печатным способом и возбуждается либо двухпроводной линией, либо коаксиальным кабелем. Антенна формирует поле излучения с круговой поляризацией в направлении оси антенны, которая сохраняется в широкой полосе частот. Нижняя частота определяется внешним диаметром спирали, а верхняя — точностью выполне­ния антенны вблизи точек питания.

Диаграмма направленности состоит из двух широких лепестков, ориентированных нормально к плоскости спирали. Можно также получить одностороннее излучение спирали, если позади нее поместить экран (обычно на расстоянии λ₀/4, где λ₀ — длина волны на средней частоте диапазона), однако наличие экрана сужает рабочую полосу частот.

Описанные типы спиральных антенн кроме самостоятельного применения используются, как уже отмечалось, в качестве облучателей зеркальных антенн, элементов различных антенных решеток, в том числе фазированных антенных решеток.

11. АНТЕННЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ РАДИОСИГНАЛОВ

Задачи, решаемые современными РТС различного назначения в условиях сложной электромагнитной обстановки, требуют применения самых разнообразных антенн и антенных систем, не просто обладающих высокой эффективностью и заданной направленностью, но обеспечивающих выполнение широкого спектра функций, не свойственных первым антеннам, появившимся в начале прошлого столетия. В числе этих функций можно назвать быстродействующее немеханическое сканирование ДН, определение направления прихода радиосигналов, адаптивное пространственное подавление помех, получение радиоизображений различных объектов, когерентное пространственное сложение мощностей многих источников излучения в заданных направлениях, пассивную и активную ретрансляцию радиосигналов, нелинейную обработку радиосигналов, передачу и прием широко- и сверхширокополосных радиосигналов и множество других. Реализация названных функций стала возможной, в первую очередь, благодаря созданию и развитию теории и техники антенн с пространственно-временной обработкой сигналов, в том числе многоэлементных антенных решеток.

Исключительное многообразие современных и новых разрабатываемых антенн, которые фактически являются уже не отдельными устройствами, а системами, потребовало нового подхода к рассмотрению развития антенн как совершенствования радиосистем и, соответственно, предложения новой классификации антенн по критерию обработки радиосигналов в антенне и тракте ее питания [4, 14]. Детальное описание классов антенн с пространственно-временной обработкой сигналов приведено в [4, 14].

В рамках новой классификации отдельное место отведено антенным решеткам с немеханическим сканированием ДН, обеспечивающим электрическое управление пространственной ориентацией направления максимального излучения (приема) АР путем изменения сдвига фаз токов в соседних излучателях (фазовое сканирование), длины волны (частоты) излучаемых колебаний (частотное сканирование), амплитуд колебаний на входах многолучевой антенной системы (амплитудное, или, точнее, коммутационное сканирование). По сравнению с системами с механическим или электромеханическим сканированием ДН АР с электрическим сканированием обладают рядом несомненных преимуществ. Особенно ярко проявляется реализуемая с помощью таких АР возможность высокоскоростного поиска, обнаружения, захвата и сопровождения многих целей — объектов радиолокационного наблюдения при одновременном обзоре широкого углового сектора в пространстве. Не случайно в состав перспективных технических комплексов охраны и обеспечения безопасности объектов и территорий внедряются специализированные РЛС со сканирующими АР, существенно повышающие эффективность и надежность работы этих комплексов. Основными недостатками АР с электрическим сканированием являются их сложность, высокая стоимость и высокие эксплуатационные издержки. Впрочем, отмеченные недостатки не ограничивают все более широкое внедрение АР с электрическим сканированием.