1.3 Диаграммы направленности спиральных антенн

Опытным путем установлено, что с увеличением длины волны фазовая скорость уменьшается, а коэффициент замедления увеличивается во столько же раз. Благодаря этому условие осевого излучения (1) поддерживается в широком диапазоне волн:

(рисунок 3 а).

Рисунок 3 - ДН цилиндрической спиральной антенны

при различной длине витка спирали

При длине витка набег фазы в 360° происходит при про­хождении волной тока нескольких витков спирали. При этом антенна уподобляется электрически малой рамке из N витков провода, которая имеет ДН в виде восьмерки с максимумами излучения в плоскости, перпендикулярной оси спирали (рисунок 3 б). Если , то на одном витке спирали укладывается две, три и более волн, а это приво­дит к наклонному излучению и конусной форме пространственной ДН (рисунок 3 в).

4. Целесообразные режимы работы спиральной антенны

Наиболее выгодный режим — осевого излучения, который, как известно, требует длины витка и обеспечивает полосу пропус­кания . Эта полоса может быть значительно расширена путем перехода к конической антенне (рис, 1, б), в которой участок (2) со средней длиной витка удовлетворяет условию , а крайние участки (1, 3) с большими () и меньшими () длинами витков удовлетворяют аналогичным условиям, но для мак­симальной и минимальной длин волн рабочего диапазона:

,. В зависимости от ра­бочей длины волны интенсивно излучает только одна из зон спирали и только этой активной зоной определяется острота ДН.

2. Расчет

   1. Расчет параметров антенны в кв диапазоне

По требованию курсового проекта необходимые электрические и геометрические параметры антенны в КВ диапазоне будут рассчитаны исходя из заданной диаграммы направленности, спроектированной в программе MMANA - GAL basic.

ДН данной антенны рассчитывается по формуле:

Полагая для приближённого анализа, что амплитуда бегущей волны вдоль провода спирали не меняется, ДН спиральной антенны можно представить произведением ДН одиночного витка на множитель решётки.

В области малых значений угла θ выражение для ДН одиночного витка с бегущей волной можно приближённо записать в виде:

F_1θ(θ) ≈ cos(θ); (1)

F_1φ(θ) ≈ cos(θ). (2)

где F_1θ(θ) — нормированная ДН меридиональной составляющей поля;

F_1φ(θ) — нормированная ДН азимутальной составляющей поля.

Из формул (1), (2) видно, что одиночный виток характеризуется слабой направленностью и концентрация излучаемой энергии вдоль оси спирали получается, очевидно, за счёт близкого к синфазному сложения полей витков в этом направлении.

Поэтому можно считать, что ДН спирали определяется множителем решётки:

(3)

где n — число витков;

S — расстояние между соседними витками;

θ — угол, отсчитываемый от оси спирали;

ψ — сдвиг по фазе между точками в соседних витках.

В режиме осевого излучения сложение полей отдельных витков в направлении оси спирали должно быть близким к синфазному. Для того чтобы это могло иметь место, ток в каждом последующем витке должен отставать по фазе от тока в предыдущем на угол:

Ψ = (2∙π/λ)∙S + 2∙π (4).

Сдвиг по фазе между токами в соседних витках можно представить формулой:

Ψ = (2∙π/λ_сп)∙L, (5)

где λ_сп — длина волны в проводе спирали.

Приравнивая выражения (4) и (5), получим условие синфазного сложения полей вдоль оси спирали в виде:

S/λ + 1 = L/λ_сп, (6)

откуда

L = (S+λ)/ξ, (7)

где ξ = λ/λ_сп — коэффициент укорочения волны.

Так как в цилиндрических спиральных антеннах ξ имеет значение от 1 до 1,4, то длина витка L в режиме осевого излучения должна быть примерно равной длине волны λ.

(8).

Тогда ДН спиральной антенны, равная произведению ДН одиночного витка на множитель решётки определится выражением:

С учётом (5) и (7) формулу (3) можно привести к виду:

Рисунок 4 – ДН спиральной антенны при частоте 30 МГц

Рисунок 4.1 – 3D модель ДН спиральной антенны при частоте 30 МГц

Рассчитаем шаг спирали:

Ширина диаграммы направленности:

Откуда ,

Длину антенны вычислим по формуле:

Длину витка спирали, при которой излучение максимально вдоль оси нужно выбрать из интервала ,

Радиус спирали:

Диаметр проводника антенны:

Диаметр экрана:

Угол подъема спирали:

Коэффициент направленного действия:

Входное сопротивление антенны:

Чтобы наглядно продемонстрировать излучение антенны в диапазоне УКВ, воспользуюсь программой проектирования, где эта же антенна будет излучать на частоте 2400 МГц.

Рисунок 5 – ДН антенны цилиндрической спиральной антенны в УКВ диапазоне

Рисунок 6.1 – 3D – модель излучения цилиндрической спиральной антенны в УКВ диапазоне

Рисунок 6.2 – 3D – модель излучения цилиндрической спиральной антенны

в УКВ диапазоне