7.4 Цилиндрическая и коническая спиральные антенны

Подобные антенны относятся к антеннам бегущей волны. Однозаход-

ная цилиндрическая спиральная антенна представляет собой проволочную спираль с постоянным шагом s, выполненную на цилиндрической поверхности радиуса r = а (рис.7.20,а). Один конец спирали остается свободным, а другой соединен с внутренним проводником коаксиальной

Рис. 6.6 – Цилиндрическая (а) и коническая (б) спиральные антенны

линии. Внешний проводник коаксиальной линии присоединяется к металлическому экрану, имеющему форму диска или многоугольника, который может быть сплошным или сетчатым. Экран служит для получения однонаправленного излучения и уменьшения токов, наводимых на внешнем проводнике коаксиального фидера. Диаметр экрана выбирается равным (0,7...0,9)_ср. Диаметр проводника спирали обычно на порядок меньше диаметра цилиндрической поверхности 2а. Число витков N = 4…8. Осевая длина антенны L находится в пределах (0,5...3,0) _max.

В зависимости от формы ДН и направления максимума излучения различают три режима: режим бокового или поперечного излучения

(2а  ), режим осевого излучения (2а  ) и режим наклонного излучения (2а  ). Наиболее используемым является режим осевого излучения, обеспечивающий максимальный КНД и круговую поляризацию в направлении максимума ДН. Направление вращения плоскости поляризации совпадает с направлением намотки спирали. Угол намотки спирали  отсчитывается от нормали к оси антенны и выбирается в пределах 12⁰...20⁰. Осевой режим сохраняется при условии

cossin  ka  cos-sin . (7.28

Максимальный коэффициент перекрытия по частоте, равный двум, получается при   9^о.

Приближенный расчет нормированной ДН цилиндрической спиральной антенны в плоскости  = 0 можно провести по формулам

J₀(kasin)cos  sin , (7.29)

J₀(kasin) sin , (7.30)

где J₀(kasin – функция Бесселя, ; угол отсчитывается от оси антенны.

Формулы получены по теореме о перемножении диаграмм направленности элемента системы в виде кольцевого излучателя с бегущей со скоростью света волной тока и множителя направленности ЛНС с бегущей вдоль нее замедленной волной, характеризуемой коэффициентом замедления   сV_ф. Формулы (7.29), (7.30) не учитывают отражение от конца спирали, затухание тока в ней и влияние экрана на характеристики излучения. Для оценки ширины ДН (в градусах) можно пользоваться выражениями

,. (7.31)

На рис. 7.21 приведены расчетные (сплошная линия) и экспериментальные (пунктир) ДН для шестивитковой однозаходной цилиндрической спиральной антенны. Поляризационная диаграмма приближенно определяется функцией

K_Э(  cos, (7.32)

а КНД в направлении оси антенны равен

D₀  ,kаcos²L . (7.33)

Рис. 7.21 Теоретические (сплошные) и экспериментальные (пунктир) ДН однозаходной цилиндрической спиральной антенны

Если  известно, то для получения максимального КНД надо согласно формуле (6.12) взять длину антенны, равной

L^опт = .(7.34)

Фазовая диаграмма цилиндрической спиральной антенны без экрана в плоскости  = const, по крайней мере, в пределах главного лепестка ДН, представляет собой окружность с центром на оси спирали. Для антенны с экраном диаметром 0,9_ср фазовый центр расположен от экрана на расстоянии (0,33…0,38)L, т.е. фазовый центр смещен в сторону экрана. Эта закономерность присуща и другим типам антенн, например вибраторным или турникетным, если они используются с экраном.

Активная часть входного импеданса спиральной антенны составляет (60...90) Ом и несколько растет с увеличением kа. Она почти не зависит от числа витков. Это и понятно, так как на входное сопротивление основное влияние оказывает область антенны, непосредственно примыкающая к ее входу, т.е. размеры, положение первого витка относительно экрана и его соединение с коаксиальной линией. Реактивная часть входного сопротивления невелика и колеблется в пределах  (10…20) Ом .

C целью еще большего увеличения рабочего диапазона переходят к коническим спиральным антеннам с постоянным или переменным шагом намотки, которые можно рассматривать как цилиндрические спиральные антенны с плавно изменяющимся диаметром (см. рис. 7.20,б). В конических спиральных антеннах условия (7.28) существования осевого режима обычно выполняются для группы из трех витков, которые называются активной областью (зоной) и которые в основном формируют ДН антенны. При изменении частоты условия (7.28 выполняются уже для другой группы витков, т.е. активная зона перемещается по поверхности антенны. Этим и объясняется большая широкополосность конических спиральных антенн. Однако они имеют более низкий КНД по сравнению с цилиндрическими спиральными антеннами, в которых в формировании поля излучения участвуют одновременно все витки.

Спиральные антенны в основном применяются в дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн. Имея круговую поляризацию, они используются в радиолокации для получения более контрастного изображения цели на фоне помех, в системах телеметрии и связи с летательными аппаратами, положение которых не стабилизировано в пространстве. Спиральные антенны используются также в качестве облучателей зеркальных антенн и элементов решеток.