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

Рис. 7.7. Диаграммы направленности и поляризация излуче­ ния вдоль оси конических спиральных антенн с постоянным шагом.

7.3. Спиральные антенны на поверхности теп вращения с криволинейной образующей

Квазичастотно-независимые спиральные антенны мо­ гут выполняться в виде проводящих спиралей, навитых на поверхности различных тел вращения с криволиней­ ной образующей: сферы, эллипсоида, параболоида и др. [26, 27, 24]. Поскольку на этих поверхностях невозможно

200

реализовать спирали, для которых одновременно выпол­ няются все три условия частотной независимости (7.1) — (7.3), практические конструкции квазичастотно-иезави- симых спиральных антенн могут быть двух типов:

— с постоянным отношением размеров соседних эле­ ментов, форма их проводников подчиняется условиям

(7.1), (7.3); •— с постоянным углом намотки, для них выполняют­

ся условия (7.1), (7.2).

Спиральные антенны с постоянным отношением раз­ меров соседних элементов. Для спиральных антенн с по­ стоянным отношением размеров соседних элементов уравнения координат спирали на поверхности эллипсои­ да вращения с полуосями а, а, с (рис. 7.8) в параметри­ ческой форме имеют вид [27]:

показана на рис. 7.9. Уменьшение толщины провода позволяет расширить коэффициент

перекрытия диапазона волн, так как при этом оказыва­ ется возможным (выполнение витков с меньшим ka.

201

Экспериментальное исследование двухзаходных спи­ ральных антенн с постоянным отношением длин сосед­ них витков на поверхности эллипсоида вращения пока­

Рис. 7.9. Значения максимально достижимого коэффициента перекрытия для спиральной антен­ ны на поверхности сферы.

сопротивления порядка 130 Ом; К С В ^2,5. Увеличение с по отношению к а сужает диаграмму направленности,

Для спиральных антенн с постоянным углом намотки на поверхности эллипсоида вращения с полуосями а, а, с (рис. 7.8) уравнения координат спирали в параметри­ ческой форме имеют вид [27]:

где а — угол намотки антенны.

Для того чтобы антенна формировала направленное излучение, необходимо выбирать достаточно малые углы

202

я o.iг

203

намотки и вытянутую форму эллипсоида. В частности, для получения диаграмм направленности с 20®5 <

<100° необходимо, чтобы a tg а/с<0,1. Достижимый коэффициент перекрытия, определяемый как отношение длин крайних витков, определяется выражением

Экспериментальные исследования ряда образцов антенн с М = 2 и различными параметрами с/а и а пока­ зывают, что спиральные антенны с постоянным углом на­ мотки на поверхности эллипсоида вращения создают направленное излучение с максимумом вдоль оси в диа­ пазоне волн с Лпг£^2,6. Ширина диаграммы направлен­ ности составляет 20о,5«; 7О... 100° и зависит от с/а и а. Диаграмма направленности расширяется с умень­ шением с/а и увеличением а. Коэффициент поляриза­ ции вдоль оси в указанном диапазоне не хуже 0,4. Сред­ няя величина входного сопротивления — примерно 110 Ом. Диаграмма направленности, коэффициент по­ ляризации вдоль оси и КСВ в рабочем диапазоне волн одного из образцов антенны показаны на рис. 7.10.

Примерно такие же диапазонные свойства имеет антенна в виде спирали с постоянным углом намотки на поверхности параболоида вращения {24]. Поляриза­ ция излучения такой антенны ближе к круговой: р (0 )^ ^ 0,8, а входное сопротивление меньше, Rnx~90 Ом.

Сравнение свойств квазичастотно-независпмых спи­

имеют антенны с постоянным отношением длин сосед­ них витков.

7.4. Однозаходная цилиндрическая спиральная антенна

спеременным шагом [углом намотки)

Вотличие от регулярной спиральной антенны спи­ раль с переменным шагом (рис. В.4) можно рассматри­ вать как неэквидистантную линейную решетку излуча­ телей, каждый из которых представляет собой виток. Такие антенны по сравнению с регулярной спиралью имеют более низкий уровень боковых лепестков, режим осевого излучения сохраняется в более широком диапа­ зоне частот, поляризация в направлении оси сохраняет-

204

ся близкой к круговой при меньшем числе витков (до Я « 1 ,5 ... 2,0).

Строгой теории спиральных линий и антенн с пере­ менным шагом нет, поэтому расчет таких антенн бази­ руется на принципе локальной эквивалентности, суть которого изложена ранее (§ 6.2). В соответствии с этим принципом фазовая постоянная Рд волны поля, распро­ страняющейся вдоль проводника спирали с переменным шагом, в некотором сечении z= con st считается такой же, как в регулярной спирали со значениями 2а и а, со­ ответствующими рассматриваемому сечению спирали с переменным шагом. Это допущение является прибли­ женным, но, как показывает сравнение результатов рас­ чета фазового распределения тока, использующего фор­ мулы (3.12) — (3.15), с результатами его измерения, вы­ полняется достаточно точно в области сильной диспер­ сии собственной волны Т

Экспериментальные исследования антенн с различны­ ми законами намотки показывают, что лучшие резуль­ таты по поляризации и диапазонности дают спирали, у которых угол намотки плавно увеличивается от точки возбуждения к свободному концу по закону

этом граничные значения ka режима осевого излучения приблизительно равны [28]

^аИт != :2л:а/Я.ма!;с~ 0,65, Аамакс=

=2 п аД тт*« 1,4, 7Сп~2,3.

Спомощью метода векторного потенциала получены следующие приближенные выражения для характеристик и параметров спираль­

ной антенны с законом намотки (7.20) и целым числом витков N.

205

Диаграммы направленности:

(7.22)

t4 (8) = h № sin 8) sin [g (9) nN]/[q* (6) - 1 ];

—В ПЛОСКОСТИ IJOZ

206

\\

О 20 w SQ eo s

Рис. 7.11. Теоретические диаграммы направленности цилиндрической спиральной антенны с переменным шагом.

Зависимость диаграмм направленности от частоты и геометри­ ческих параметров спирали иллюстрируется графиками рис. 7.11, рассчитанными по (7.23). На рис. 7.12 и 7.13 представлены теорети­ ческие диаграммы направленности совместно с экспериментальными. Антенна представляла собой спираль из алюминиевого провода круг­ лого поперечного сечения. Диаметр спирали 2а=40 мм, диаметр

207

Рис. 7.12. Теоретические и экспериментальные диаграммы направлен­ ности цилиндрической спиральной антенны с переменным шагом.

ретически и полученные экспериментально. Величина р слабо зави­ сит от геометрических параметров спирали в интервале ka, соот­ ветствующем режиму осевого излучения, если N ^ 2 .

Теоретические и экспериментальные зависимости D (ka) показа­ ны на рис. 7.15.

Экспериментальное исследование входного сопротивления по­ казывает, что P ds слабо зависит от числа витков и а к и на средней

208

5 ' * K~2D°, N-2

Рис. 7.13. Теоретические и экспериментальные диаграммы направлен­ ности цилиндрической спиральной антенны с переменным шагом.