книги из ГПНТБ / Юрцев, О. А. Спиральные антенны

цни могут также применяться различные (цилиндриче­ ские, эквиугольные п др.) двухвходные спиральные ан­ тенны (рис. В.8).

Спиральные антенны позволяют формировать одно­

липтической, близкой к круговой, управляемой, линей­ ной. В большинстве случаев основными требованиями

кспиральным антеннам являются способность работать

вшироком диапазоне частот с коэффициентом перекры-

Ряс. В.8. Двухвходные спиральные антенны:

а — цилиндрическая однозаходиая; б — эквнугольная коническая двухзаходная.

тия обычно от 1,5 до 10 и в отдельных случаях больше, обеспечение эллиптической, близкой к круговой, или управляемой поляризации, а не стабильность характери­ стик и параметров. Поэтому часто допускаются весьма значительные изменения характеристик и параметров в диапазоне частот: изменение ширины диаграммы на­ правленности в полтора — два раза, увеличение коэффи­ циента стоячей волны (КСВ) в отдельных точках диа­ пазона до 1,5 . . , 2. Требования к уровню боковых ле­ пестков и стабильности направления главного макси­ мума также бывают не жесткими. Очень часто допу­ скается уровень боковых лепестков, достигающий 30% по полю, и изменение направления главного максимума до 10% от 20°о,5 [2, 7, 16, 20, 52].

Основным элементом всех спиральных антенн явля­ ется проволочный или ленточный виток длиной, приблизительно_ равной X (диаметр —'А/лй. обтекаемый бегущей волной тока. В подавляющем большинстве случаев спи­ ральные антенны возбуждаются коаксиальной линией. Поэтому по частотному диапазону область их примене­

10

ния на длинных волнах ограничена предельно допусти­ мыми габаритами, а на коротких — достижимой точно­ стью изготовления и технологичностью конструкции, вы­ сокочастотным пределом рабочего диапазона коаксиаль­ ных кабелей и возможностью конструктивной реализа­ ции нужной формы перехода от питающего коаксиального фидера к ветвям спиральной структуры. На практике трудно осуществить конструкции спираль­ ных антенн, работающие на волнах короче 2 см.

Особенностью спиральных антенн является то, что они изготавливаются из тонких проводников круглого сечения или тонких металлических лент. Концентрация поля на кромках проводящих поверхностей оказывается значительной, а зазоры между соседними витками в той части антенны, которая работает на высокочастотном краю диапазона, невелики. Средний периметр сечения коаксиального кабеля, возбуждающего спиральную ан­ тенну, работающую на СВЧ, для исключения высших типов волн должен быть меньше Я, т. е. такие кабели имеют невысокую электрическую прочность. Следова­ тельно, в диапазоне СВЧ спиральные антенны могут работать при малых и средних уровнях мощности (i3^; ^'100 кВт).

Спиральная антенна любого типа (регулярная, эквиугольная, нерегулярная) может быть сконструирована для работы в полосе частот с коэффициентом перекры­ тия 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 ча­ стот, верхняя граница которого приближенно определя­ ется поперечными размерами структуры у вершины, а нижняя — поперечными размерами структуры у осно­ вания, диаграммы направленности и входное сопротив­ ление изменяются периодически как функция логарифма частоты, хотя и в небольших пределах.

Цилиндрические, плоские и конические спиральные антенны с постоянным шагом, а также спиральные ан­ тенны на поверхности различных тел вращения (кроме эквиугольных конических) не являются частотно-незави­ симыми. Поэтому в рабочем диапазоне частотих диаграм­ мы направленности изменяются более — менее монотон­ но. У цилиндрических спиральных антенн с увеличением

11

расширяется. У квазичастотно-независимых спиральных антенн изменение характеристик и параметров от часто­ ты может быть различным в зависимости от закона из­ менения угла намотки по длине антенны и формы поверхности, на которой она намотана.

Из перечисленных типов антенн большей направлен­ ностью обладают цилиндрические спиральные и зигза­ гообразные антенны (20о,5>ЗО°, К Н Д ^25). Направлен­ ность частотно-независимых и квазичастотно-независи­ мых антенн меньше (20о,5^ 5О ... 80°; КНД — 2 . . . 12).

Различные типы спиральных антенн отличаются и по габаритам. Минимальные поперечные габариты имеют цилиндрические спиральные антенны, особенно — импедансные спирально-диэлектрические (2а<ЯСр/я). Про­ дольные электрические размеры таких антенн определя­ ются требуемой направленностью. Минимальные про­ дольные габариты имеют плоские спиральные антенны (£<0,25Лмакс). Максимальные поперечные размеры этих антенн составляют 2 а ~ (0,35 . . . 0,6)1макс-

Конические эквиугольные спиральные антенны, осо­ бенно многозаходиые из расширяющихся лент, характе­ ризуются наибольшей стабильностью характеристик в рабочем диапазоне частот, но и при наибольших габари­ тах: наибольший поперечный размер 2а«0,41макс.‘ про­ дольный размер в зависимости от требуемого коэффи­ циента перекрытия диапазона и направленности лежит в пределах L ~ (1 . . . 4) ^макс-

Свойства спиральной антенны (вид диаграммы на­ правленности, поляризация поля, днапазонность и т. д.) зависят от конструкции антенны, отношения основных геометрических размеров к длине волны в свободном пространстве, типа возбуждаемой волны. Анализ этих свойств основывается на результатах анализа типов волн в соответствующей бесконечной спиральной линии, от­ резком которой является антенна. В изучении спираль­ ной линии как замедляющей системы большую роль иг­ рают свойства геометрической симметрии. Выяснение общих закономерностей, следующих из свойств симме­ трии, позволяет не только решить ряд практических во­ просов (выбор, например, нужного типа волны, способа возбуждения спирали), но и облегчает решение гранич­ ной задачи. Свойства симметрии спиральных структур и вытекающие из них свойства электромагнитных полей рассматриваются в первой главе.

12

метрпи, ее можно рассматривать как отрезок регулярной спирали с этими двумя видами симметрии, в котором существуют прямые и обратные волны. При анализе та­ кой антенны можно использовать результаты, получен­ ные для бесконечно длинной спирали.

В практических конструкциях спиральных антенн ча­ сто применяется диэлектрик в виде опорных цилиндров, на поверхность которых укладываются заходы. Если диэлектрик однороден в азимутальном и продольном на­ правлениях, то свойства симметрии спиральной структу­ ры не изменяются. "

Для уменьшения поперечных размеров спиральной антенны можно использовать замедляющие системы, уменьшающие сразовую скорость тока в заходах спира­ ли. Такая замедляющая система может быть однород­ ной в азимутальном и продольном направлениях. Кро­ ме того, проводник спирали может представлять собой замедляющую систему (например, спираль малого ра­ диуса или зигзагообразную ленту), причем однородную вдоль спирального направления. В этих случаях свойства симметрии структуры также не изменяются. В дальней­ шем предполагается, что и диэлектрик, и замедляющие системы не нарушают свойств симметрии.

Рассмотрим свойства полей в системах с различной симметрией.

1.2. Типы нормальных волн

Пусть рассматриваемая система имеет поворотную ось симметрии См, т. е. представляет собой М-заходную произвольную спираль — плоскую, коническую или ци­ линдрическую. -

Как показано в [42], поле произвольным образом воз­ бужденной замедляющей системы с поворотной осью симметрии См можно представить в виде суммы М так называемых нормальных волн, каждая из которых удов­ летворяет граничным условиям в системе. Вектор напря­ женности электрического поля в q-& нормальной волне может быть записан в виде *

трех проекций вектора напряженности электрического поля и векто? ра плотности тока проводимости соответственно.

15

наты ср цилиндрической системы координат, ось z кото­ рой совпадает с осью симметрии См. Период функции равен 2п/М и ее можно разложить в ряд Фурье:

входят азимутальные пространственные гармоники с ин­ дексами x — q + mM.

Из (1.6) следует, что поля и токи в указанных точках одинаковы по амплитуде и сдвинуты по фазе на 2nq/M. Если возбуждающие заходы спирали э. д. с. (или токи) одинаковы по амплитуде и сдвинуты по фазе на указан­ ную .величину, в системе возбуждается только q-я нор­ мальная. волна. В этой волне при заданных геометриче­ ских размерах спирали в зависимости от частоты может резонировать та или другая азимутальная пространст­ венная гармоника, входящая в возбуждаемую нормаль­ ную волну. Резонирующая пространственная гармоника

16

В аналогичном виде записывается выражение для плотности тока проводимости, текущего в заходах спи­ рали, соответствующего q-ii нормальной волке:

вектора напряженности электрического поля q-й нор­ мальной волны в ряд по азимутальным и так называе­ мым продольным пространственным гармоникам, име­ нуемым также ф- и 2-гармониками [10].

Как следует из (1.12) и (1.14), спектры азимуталь­ ных и продольных пространственных гармоник в q-ii нормальной волне разрежены тем более, чем больше чи­ сло заходов спирали М.

Если э. д. с. (или токи), возбуждающие заходы спи­ рали, одинаковы по амплитуде и сдвинуты по фазе в со­ седних заходах на 2nqlM, то q-я нормальная волна воз­ буждается в чистом виде. В зависимости от отношения диаметра спирали и длины волны колебаний в q-й нормальной волне может резонировать та или иная ази­ мутальная и продольная пространственные гармоники. Индекс резонирующей азимутальной пространственной гармоники и определяет характер излучения спиральной антенны (диаграммы направленности, поляризационные, фазовые характеристики и т. д.). В системах с однород­ ным диэлектриком продольные пространственные гармо­ ники в областях пространственного резонанса замедлены

электрика, в котором расположена спиральная система).

Значительное преобладание резонирующей пространственной гар­ моники над всеми другими позволяет в приближенных расчетах (и тем более при качественном анализе) характеристик спиральной антенны учитывать только резонирующую гармонику. Отбрасывание нерезонансных пространственных гармоник эквивалентно замене спи­ рали на анизотропно проводящую модель.

Такая модель представляет собой плоскую, коническую или ци­ линдрическую поверхность, на которой имеется не М реально суще­ ствующих заходов, а бесконечное множество проводящих нитей, рас­ положенных на бесконечно малом расстоянии друг от друга, т. е. поверхность, проводящую только в спиральном направлении и не проводящую в перпендикулярном ему направлении. В анизотропно проводящей .модели, как следует из выражения (1.12), в каждую нормальную волну (а количество их возрастает до бесконечности)

18

входит лишь (7-я азимутальная пространственная гармоника. Указан­ ная замена существенно упрощает расчет и особенно качественный анализ характеристик излучения различных нормальных воли — диа­ грамм направленности, поляризационных и фазовых характеристик.

1.3. Характеристики излучения нормальных волн

При анализе поля излучения анизотропно проводя­ щей модели спиральной антенны ее комплексную диа­ грамму направленности /(0) можно представить в виде произведения (комплекс­ ных диаграмм направлен­

ности элемента /i(0) и множителя системы /с (0).

Поскольку в анизот­ ропно проводящей моде­ ли по координате тр укла­ дывается целое число пе­ риодов изменения поля и тока, в качестве элемента такой модели необходимо взять азимутальное коль­ цо с ^бегущей волной то­ ка. На длине кольца дол­ жно укладываться целое

число длин волн. Для кольца радиуса а, на длине кото­ рого укладывается v длин волн, нетрудно получить сле­ дующие выражения для комплексных диаграмм направ­

где k = 2 лД, X— длина волны в свободном пространстве, /(V±l) — функция Бесселя действительного аргумента.

Рассчитанные по формулам (1.16) и (1.17) диаграм­ мы направленности для различных азимутальных гар­ моник при k a —v показаны на рис. 1.2.