Спиральные антенны

Спутниковые системы связи используют волны эллиптической, близкой к круговой поляризации. Волны такой поляризации по­зволяют получить спиральные антенны. Спиральная антенна (рис. 11.20) состоит из металлического проводника, свернутого по об­разующей цилиндра или конуса в спираль, расположенную над плоским экраном так, что ось спирали перпендикулярна плоско­сти экрана. В диапазоне сантиметровых волн экран диаметром (0,6...1)λ выполняется сплошным, а в диапазоне дециметровых и мeтровых волн - из металлической сетки с размером ячеек не более 0,1λcp. Экран выполняет функции переходного устройства, устраняя антенный эффект фидера и улучшая защитные свойства антенны. Коаксиальный фидер подводят к спирали обычно не по осевой линии, а по образующей и подключают непосредственно к первому витку.

При диаметре спирали, меньшем 0,18λ, антенна работает как штыревая с малым сопротивлением излучения. При диаметре спи­рали, большем 0.45λ., ДН антенны раздваивается относительно оси. При диаметре спирали (0,25... 0,45)λ антенна создает максимальное излучение вдоль оси по направлению движения волны тока (рис. 11.21,а). В основном применяются спиральные антен­ны осевого излучения. В спиральной антенне с длиной витка, равной примерно длине волны, и при числе витков больше трех устанавливается режим бегущей волны. Ha рис.11.21,б штриховыми линиями показано распределение токов на отрезке прямого провода: I(t₁) —для момента времени t₁ и для последующего мо­мента времени t_2. На рис. 11.21,в и г показаны распределения то­ков в одном витке спирали, соответствующие моментам времени t₁ и t₂. При прохождении бегущей волны тока по спирали созда­ется эллиптически (близкая к круговой) поляризованная волна. Фазовая скорость волны тока вдоль провода оказывается нес­колько меньше скорости волны в свободном пространстве, за счет чего каждый последующий виток имеет несколько запаздывающую фазу тока. Это позволяет рассматривать спираль как антен­ну бегущей волны.

Характеристику направленности спиральной антенны при осе­вом излучении с числом витков больше трех можно рассчитать по (8.6): F(φ) =F₁(φ) F_сн(φ). Здесь излучателями, из которых со­ставлена решетка, являются одиночные витки спирали. Направ­ленные свойства одиночного витка выражены слабо. Можно счи­тать, что F₁(φ)≈cos(φ). Направленные свойства антенны опреде­ляются главным образом множителем решетки

F_сн(φ) = sin (0,5nkd(ξ-cosφ)/n sin (0,5kd(ξ-cosφ)) (11.11)

Здесь n — число витков; d— шаг спирали; φ — угол, отсчитыва­емый от оси спирали.

В рабочем диапазоне коэффициент укорочения волны в спи­ральной антенне автоматически поддерживается оптимальным в пределах ξ = 1... 1,4.

Оптимальные размеры антенны определены экспериментально. Угол подъема спирали выбирается в пределах α=10…15°. Длина витка l≈lср. Радиус и шаг спирали определяются из геометрического построения R≈(λ_ср/2π)cosα и d≈λ_срsinα. Ширину главного лепестка по уровню 50% мощности и по нулевому излучению оп­ределяют по формулам

φ_0,5≈52°(λ/l √ (λ/nd); 2 φ₀ ≈115°(λ/l) √ (λ/nd) (11.13)

Коэффициент направленного действия спиральной антенны

D≈7,5nd/λ. (11.14)

Входное сопротивление R_вх= 140l/λ, Ом. Рабочий диапазон волн λ_раб= (0,75...1,3)l;

Для расширения диапазона рабочих частот спирали антенны выполняют коническими. Спиральные антенны могут быть двухзаходными (см. рис. 11.20,6). В этом случае спираль питается симметричным фидером, а при коаксиальном фи­дере — через симметрирующее устройство.

Спиральная антенна с большим КНД может оказаться достаточно длинной. В этом случае антенну выполняют из нескольких спиралей соответственно меньшей длины. Спирали в пространстве необходимо разместить так, чтобы их эффективные площади
не перекрывались. Для этого расстояния между центрами спиралей должны удовлетворять условию D≥√(λL1) где L1 — осевая длина одной спирали. Параметры спиральных антенн мало подвержены изменениям при обледенении (гололеде).

Дата добавления: 2015-12-08