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

где индексы N и 1 относятся соответственно к макси­ мальному и минимальному виткам структуры.

Квазичастотно-независимым спиральным структурам не присущи одновременно все три свойства, но для них реализуются, точно или приближенно, по крайней мере два из трех отмеченных выше свойств. Для сохранения приемлемой диапазонное™ квазичастотно-независимых спиральных антенн важной является малая скорость от­ клонения формы антенны и ее заходов от геометрических свойств частотно-независимой структуры.

Построение квазичастотно-независимых форм спи­ ральных структур принципиально возможно путем на­ несения спиралей на поверхности различных тел враще­ ния с криволинейной образующей (сфере, параболоиде или эллипсоиде вращения), изменения закона намотки вдоль осевого направления, использования антенны с не­ круглым сечением (эллиптическим, многоугольным).

Практическое применение в настоящее время нашли плоские и конические спиральные антенны с постоянным шагом (спирали Архимеда) и эквиугольные полусфери­ ческие спиральные антенны. Достаточно подробно иссле­ дованы однозаходные спиральные антенны с постоянным углом намотки на поверхности параболоида вращения и двухзаходные спиральные антенны на поверхности эллипсоида вращения. •Квазичастотно-незавпсимые спи­ ральные антенны с двусторонней намоткой, спирально­ диэлектрические и импедансные антенны, насколько мож­ но судить по литературе, до настоящего времени не ис­ следовались.

Теория спиральных структур сложной формы в на­ стоящее время не разработана, поэтому об их свойствах можно судить только приближенно на основании прин­ ципа локальной эквивалентности. Семейство типов волн, существующих в конечной структуре сложной формы,, определяется, как и в ранее рассмотренных формах, ми­ нимальным и максимальным значениями k a {k a mm, камакс) на заданной волне К, числом заходов структуры М и способом возбуждения заходов (распределением по поперечному сечению .структуры амплитуд и фаз токов, возбуждающих заходы). Система нормальных волнопре-

190

деляется свойствами симметрии структуры и рассмотре­ на в гл. 1. Система существующих собственных волн

Тможет быть определена приближенно по (1.12) и

табл. 6.1. Ориентировочные численные значения границ областей существования определяются формулами (6.14), (6.15) и рис. 6.6.

Для большинства практически используемых квази- частотно-независимых спиральных антенн коэффициент расширения структуры T&=Sn-i/Sn, при котором еще со­ храняется приемлемая стабильность электрических ха­ рактеристик в диапазоне, оказывается все-таки настоль­ ко большим, что пространственный резонанс, заметное замедление и дисперсия фазовой скорости практически отсутствуют. Как показывают многочисленные расчеты и измерения [60, 61], фазовая скорость волны, бегущей вдоль провода таких структур, оказывается близкой к скорости света, а замедление волны вдоль оси струк­ туры определяется только геометрическим замедлением Р= /г/sin а.

Таким образом, для всех квазичастотно-независимых (т. е. не цилиндрических и не эквиугольиых) спиральных структур, используемых в антеннах, можно указать сле­

свойствами симметрии структуры (числом заходов и ви­ дом намотки), способом возбуждения структуры и элек­ трической длиной первого и последнего витков.

2. Коэффициент перекрытия диапазона определяется отношением максимального и минимального радиусов витков:

Кп = С м акс/Я'мин-'

3.Отсутствует пространственный резонанс и диспер­

сия в структуре, поэтому на заданной длине волны в режиме рабочего типа волны излучает только малое количество витков. Хотя поле квазичастотно-независимых спиральных антенн в передней полусфере значительно больше, чем в задней, диаграммы направленности таких антенн широки и близки к диаграммам направленности одиночного витка, см. гл. 1.

4. Для эффективного изменения ширины диаграммы направленности изменяют только угол намотки струк­ туры.

191

Увеличение угла намотки весьма заметно расширяет диаграмму направленности квазичастотно-независимых спиральных антенн, причем оно воздействует двояко (см. гл. 6). С увеличением угла намотки а уменьшается чис­ ло витков, работающих в режиме Т±1 (сужается область существования волны T±i), что расширяет диаграмму направленности. Кроме того, с увеличением а уменьша­ ется внешний электрический размер области существо­ вания рабочего типа волны (см. рис. 6.6). Это тоже при­ водит к расширению диаграммы направленности.

5. Нарушение условий частотной независимости в квазичастотно-независимых антеннах приводит к за­ метному изменению их характеристик и параметров в рабочем диапазоне частот. Например, для двухзаходных полусферических спиральных антенн в рабочем диа­ пазоне имеем р (0) ^ 0,4, К С В ^ З . Для улучшения ста­ бильности характеристик и параметров в диапазоне ча­ стот необходимо обеспечивать лучшую чистоту рабочего типа волны, т. е. увеличивать число заходов и точность их возбуждения. Это позволяет расширить на структуре область существования рабочего типа волны и исклю­ чить влияние низших и высших типов волн, т. е. витков спирали, меньших и больших по отношению к виткам, охваченным рабочим типом волны [26].

6. Квазичастотно-независимые спиральные структуры не являются самопереходящими структурами. Поэтому при изменении рабочей длины волны изменяется волно­ вое сопротивление активной зоны структуры и свойства участка, оказывающегося между фидером и активной зоной. Этот промежуточный участок структуры играет роль трансформатора сопротивлений между фидером и активной зоной. Поскольку меняются и свойства нагруз­ ки и свойства трансформатора, входное сопротивление антенны заметно меняется в диапазоне.

7.2. Плоские и конические спиральные антенны с постоянным шагом (спирали Архимеда]

Форма провода спирали в сферических координатах R, 0, ср определяется уравнением (рис. 7.1,а)

где 5 — шаг спирали; Фо — угол конусности. Практическое применение находят плоские двух- и

четырехз.эходдые и конические одно-, двух- и четыред-

19?

заходные спиральные антенны с постоянным шагом на­

они имеют заметно несимметричные характеристики из­ лучения.

Плоские архимедовы спиральные антенны. Двухзаходные спиральные антенны с постоянным шагом намот­ ки образуют излучающие кольца конечной ширины

Рис. 7.1. Спиральные антенны с постоянным шагом:

а-коническая одпозаходная; б -п ло ская двухзаходная.

(рис. 7.1,6). Поэтому диаграммы направленности пло­ ских спиральных антенн, работающих в режиме Тп, мо­ гут быть рассчитаны по следующим формулам [62]:

где kan^ n cos a — электрический периметр активной об­ ласти рабочей волны Тп; 1п\х), !'п (х) — функция Бес­ селя и-го порядка и ее производная по аргументу.

грамм направленности в стороны от оси структуры.

Поляризация антенны — эллиптическая, коэффициент поляризации определяется формулой

13—392

193

Рп (0) —COS 0 J n (ka.n sin 0) jk a n sin 0 J'n (k a n sin 0). (7.8)

Поскольку излучающим элементом антенны является кольцо с бегущей волной тока, фаза поля в пределах главного лепестка практически не зависит от угла 0, за­ висимость от угла ср — линейная (см. гл. 1):

Ф(ф) ~ шр.

Плоские спиральные антенны с S = const не являют­ ся частотно-независимыми, так как их форма определе­ на не только углами. Угол намотки а этих антенн пере­ менный— больше для центральных витков антенны и меньше для периферийных. Как следует из рис. 6.6 и

Рис. 7.2. Зависимость 2aM»t;clX—f (N), при которой р(0) ^ 0 ,8 , для плоской двухзаходнон архимедо­ вой спиральной антенны.

формул' (6.13), (6.14), это приводит к уменьшению элек­ трического размера активной области рабочего типа вол­ ны Тп при смещении активной области к центру струк­ туры (при уменьшении X). Из (7.6), (7.7) следует, что такое изменение электрических размеров активной об­ ласти при возбуждении антенны в режиме волны Т\ {п— 1) приводит к расширению диаграмм направленно­ сти при увеличении частоты в рабочем диапазоне, а при возбуждении волн с п — 2, 3, ... — к отклонению макси­ мумов воронкообразных диаграмм направленности в сто­ роны от оси структуры.

Рабочий диапазон длин волн плоской архимедовой спиральной антенны без экрана ограничивается со сто-

194 •

роны коротких волн (Л,мпн) раздвоением диаграмм на­ правленности, если наименьший виток длиннее мини­ мальной волны, т. е. когда

2ламшАшгаА 1,

а со стороны длинных волн (Л,Макс) — нарушением усло­ вия излучения круговой поляризации (р(0 )^ 0 ,8 ), если

2лймакс/^макс= 1,5 .. . 3,5.

Зависимость 2амаксДмако от числа витков показана на рис. 7.2. Чем больше витков при одинаковых Mini, k Амане (шаг меньше, намотка плотнее), тем меньшим может быть внешний диаметр антенны для обеспечения круго-

Спираль

Рис. 7.3. Сечение экрана сложной формы для пло­ ских архимедовых спиральных антенн. .

вой поляризации на заданной К. Диаграмма направлен­ ности при этом несколько расширяется. С другой сторо­ ны, уменьшение шага намотки при постоянном внешнем диаметре приводит к уменьшению зазора между сосед­ ними витками и ухудшает электрическую прочность ан­ тенны.

Антенна в виде плоской спирали Архимеда излучает симметрично в обе стороны вдоль оси. Для получения однонаправленного излучения необходимо применять плоский экран. Для учета его влияния на диаграммы направленности в (7.6), (7.7) можно ввести множитель

где h — расстояние от плоскости спирали до экрана. Ко­ эффициент перекрытия антенны в режиме Ti при плос­ ком экране, установленном на расстоянии /г = (0,1 ...

0,15)ЛМакс от плоскости спирали, не более двух. При сложной форме экрана (рис. 7.3) можно получить [63]. Для антенны, работающей в режиме Г2, расстояние от спирали до экрана должно быть не менее

h К м а к о /5 ,9 .

Для улучшения механической прочности антенны прост­ ранство между экраном и спиралью заполняют пеноди-

А-мпн по отношению к изотропному излучателю круговой поляризации.

Активная часть входного сопротивления антенны за­ метно изменяется в диапазоне волн, однако среднее зна­ чение Двх для режимов Ту и Т2 составляет примерно 100 Ом. Поэтому при возбуждении плоской архимедовой спиральной антенны коаксиальным кабелем с рф= 50 или 75 Ом необходимо применять согласующее устрой-

Спираль '

___

Диск

Экран

Рис. 7.4. Согласование коаксиального кабе­ ля с двухзаходной спиралью при п = 2 с по­ мощью диска.

ство. Весьма удобно его совместить с симметрирующим устройством, тогда возбудитель будет представлять со­ бой коаксиальную линию, образующую плавный пере­ ход от коаксиальной к двухпроводной линии. Внутренний проводник этой линии должен быть коническим (диа­ метр проводника уменьшается к антенне), а внешний проводник срезается под некоторым углом к оси линии.

При синфазном возбуждении двухзаходной антенны (режим Т2) согласование антенны удобно производить с помощью специального диска, соединенного с наруж­ ной оболочкой кабеля (рис. 7.4). Диаметр согласующего диска Dс выбирается меньшим 0,2 ^максРасстояние от

Но это заметно уменьшает электрическую прочность антенны. Если допустим К С В ^ 2, то зазор между плоско­ стью спирали и согласующим диском можно увеличить до 0,02 АманеПри большой мощности, когда такой ма­ лый зазор между плоскостью спирали и согласующим

196

диском недопустим, следует применять плавный или ступенчатый трансформа­ тор сопротивлений, включае­ мый в центральный провод­ ник питающей линии [59].

Конические спиральные антенны с постоянным ша­ гом. Как отмечалось в гл. 6, для .получения осевого излу­ чения и круговой поляриза­ ции однозаходных кониче­ ских спиральных антенн пря­ мой волны необходимо, что­

бы на любой волне рабочего диапазона .внутри области осевого излучения одновременно находилось не менее трех витков. При заданном угле намотки а геометриче­ ское место точек значений ka и а излучающих элемен­ тов эквиугольной спирали выражается прямой линией 1

(рис. 7.5).

Отрезок прямой 1 внутри области существования вол­ ны Г, ограничен электрическими периметрами витков /га"акс. . ,ka™m и соответствует виткам спирали, работающим

в осевом режиме. Чем больше отношение &а“акс/£а“ин , тем больше витков находится внутри области Г,. Если каким-то образом увеличить отношение 6а“акс//еа*шн, на­

пример, изменяя функцию связи между ka и а, то мож­ но для спиральной структуры с заданным углом конус­ ности увеличить число витков внутри области Ту или, задаваясь числом витков внутри области существования Ту не менее трех |JV3^3|, увеличить угол конусности. Увеличение угла конусности при заданной продольной длине антенны позволяет расширить рабочий диапазон антенны.

Из множества форм антенн с различными функциями связи ka с а, удовлетворяющими условию увеличения от­ ношения /еа]’ако/ /ш"нн, конструктивно удобно выбрать

197

но получить следующим образом. Из рис. 7.6,6 следует, что

отсюда, подставляя значение ф из (7.5), получаем

ctga=a2jr/5cos'0'o. (7.12)

Геометрическое место точек излучающих элементов та­ кой антенны в координатах ka—а выражается кривой типа

ctg а = Л а

и на рис. 7.5 изображено кривой 2. Изменение рабочей длины волны X эквивалентно смещению графика функ-

Рис. 7.6. Коническая спиральная антенна с постоянным шагом:

о — спиральная структура; б — элемент витка.

дии a —f(a) в координатах a—а параллельно оси ka (рис. 7.5). Приближенные расчеты показывают, что для однозаходной антенны максимальный угол конусности, при котором число витков внутри области осевого излу­ чения не менее трех (А/э^>3), составляет ■б’о<5°43/, а для реализации наибольшего коэффициента перекрытия не­ обходимо выбирать {26]

S/X^ 1/3 COS ’б’о, Ямип~0,1?ьМ11П, ймакс^О^Ямакс- (7.13)

198

Применение однозаходных конических спиральных антенн с постоянным шагом намотки целесообразно в том случае, если /Сп^ 2,9 . При больших коэффициен­ тах перекрытия заметно увеличивается осевая длина антенны и ухудшаются ее диаграммы направленности вследствие излучения участков антенны с волнами выс­ ших типов.

Приближенный расчет характеристик и параметров такой антенны при fro;g;5043' можно произвести по фор­ мулам для однозаходной регулярной цилиндрической

При других значениях fro диаграммы направленности определяются следующими приближенными формулами, полученными методом вектор-потенциала [26]:

Если угол конусности настолько мал, что все витки антенны находятся внутри области существования вол­ ны Т±, тогда в (7.14) — (7.16) надо подставлять 1V1=1, NZ=N, где N — число витков антенны.

Результаты экспериментального исследования харак­ теристик и параметров однозаходных антенн с постоян­ ным шагом подтверждают возможность получения трех­ кратного коэффициента перекрытия. Некоторые экспери­ ментальные данные по характеристикам и параметрам рассматриваемых антенн приведены на рис. 7.7. Как и для эквиугольных спиральных антенн, увеличение угла конусности приводит к расширению диаграмм направ­ ленности и уменьшению К.НД.

199