СОДЕРЖАНИЕ
спиральный излучатель антенна
ВВЕДЕНИЕ
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 Общие сведения о спиральных излучателях
1.2 Свойства спиральных антенн
1.2.1 Спиральные антенны и виды волн в них
1.2.2 Широкополосность антенн
1.2.3 Моделирование антенн
1.3 Антенные решетки
2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Расчет геометрических параметров
2.2Антенный фидер
2.2.1 Расчет затухания фидера
2.3 Расчет КНД антенны
2.4 Расчет характеристики направленности отдельной спирали
2.5 Расчет характеристики направленности антенной решетки
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ВВЕДЕНИЕ
Антенна является одним из самых важных элементов любой радиотехнической системы, связанной с излучением и приёмом радиоволн. К таким системам относят системы радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиоуправления, радиолокации, радиорелейной связи, радиоастрономии, радионавигации.
Стремительное развитие систем телекоммуникаций вызвало практическую потребность в антеннах, способных обеспечить излучение и приём поля с круговой или близкой к ней эллиптической поляризацией в широком диапазоне частот. Для создания поля с подобной поляризацией в диапазоне метровых и дециметровых волн широкое применение находят спиральные антенны, относящиеся к типу антенн бегущих волн. Спиральные антенны находят применение в качестве самостоятельных антенн или в качестве облучателей зеркальных и линзовых антенн. В настоящее время цилиндрические многовитковые спирали традиционно применяются для переносных нелинейных радиолокаторов. Широкое распространение антенны данного типа получили в устройствах личной связи: значительная часть сотовых телефонов и мобильных станций содержат в своей конструкции спиральные антенны, работающие в режиме осевого излучения. Наиболее популярным представителем этого класса антенн являются цилиндрические спиральные антенны.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 Общие сведения о спиральных излучателях
Спиральная антенна отличается от других антенн, обладающих направленным излучением, в первую очередь тем, что ее поле излучения имеет круговую поляризацию. В случае применения такой антенны необходимо, чтобы как передающая, так и приемная антенны имели круговую поляризацию излучения.
Спиральные антенны (СА) широко используются в качестве самостоятельных излучателей или в составе небольших антенных решеток как широкополосные излучатели круговой поляризации, работающие в режиме осевого излучения. Чаще всего СА представляет собой спиральный проводник ограниченной длины (несколько длин волн), намотанный на диэлектрический каркас, один конец проводника СА подсоединен к внутренней жиле возбуждающего коаксиального кабеля, другой оставлен свободным. Внешняя оплетка кабеля присоединяется к проводящему экрану (основанию), который препятствует проникновению тока, текущего по внутренней поверхности кабеля на его наружную поверхность. Кроме того, диск играет роль рефлектора, уменьшая излучение антенны в заднее полупространство.
Наиболее распространен режим работы цилиндрической СА, при котором диаметр цилиндра равен одной трети длины волны, при этом периметр витка спирали около одной длины волны. Именно в этом случае имеет место режим осевого излучения с круговой поляризацией. Различают цилиндрические и конические спирали, последние характеризуются большей полосой частот.
Цилиндрическая спиральнаяантенна представляет собой намотанную из провода цилиндрическую спираль, один конец которой свободен, а другой - присоединяется к внутренней жиле коаксиального кабеля питания (рис. 1).
Экран служит для ослабления задних лепестков антенны и устранения токов на поверхности фидера. Диск может быть сплошным или изготавливаться из металлической сетки.
Основными геометрическими параметрами цилиндрической спирали являются: радиус намотки а, шаг намотки S, длина одного витка /, число витков N, угол подъема провода а.
Рисунок 1.1 - Конструкция спиральной антенны при возбуждении ее коаксиальной линией
Конические спиральные антенны(рис.1.2) обладают лучшими диапазонными свойствами, чем цилиндрические спиральные антенны. Осевое излучение таких антенн формируется не всей антенной, а лишь активной областью, т.е. витками, длина которых близка к л. С изменением частоты активная область перемещается вдоль оси антенны. При питании с вершины конуса(рис.1.2,б) достигается большая широкополосность, чем при питании антенн с основания(рис.1.2,а).
Рисунок 1.2 - Коническая спиральная антенна
Широкое применение находят плоские спиральные антенны, в том числе антенны в виде архимедовой спирали(рис.1.3). Двухзаходная спиральная антенна может выполнятся печатным способом и возбуждается либо двухпроводной линией, либо коаксиальным кабелем, проложенным вдоль одного из плеч (вдоль другого плеча прокладывается для сохранения симметрии холостой кабель, рис.1.3,б). Антенну можно рассматривать как свернутую в спираль двухпроводную линию, причем в начальной части антенны токи в соседних витках находятся в противофазе и соответственно не излучают. С удалением от точек питания фазовый сдвиг между точками в соседних витках уменьшается за счет разности хода. Действительно, элементы 1 и 2, расположенные по обе стороны от окружности радиусом на разных заходах спирали, имеют разность хода, равную половине длины этой окружности, т.е. . С учетом противофазного возбуждения разность фаз элементов 1 и 2 равна . При величина , т.е. соседние витки возбуждаются синфазно в режиме бегущей волы. Эти витки и формируют поле излучения с круговой поляризацией в направлении оси антенны, которое сохраняется в широкой полосе частот. Нижняя частота определяется внешним диаметром спирали, а верхняя - точностью выполнения антенны вблизи точек питания. Диаграмма направленности состоит из двух широких лепестков, ориентированных нормально плоскости спирали. Можно также получить одностороннее излучение спирали, если позади неё поместить экран (обычно на расстоянии л0/4, где л0 - длина волны на средней частоте диапазона), однако наличие экрана сужает рабочую полосу частот.
Описанные типы спиральных антенн кроме самостоятельного применения используются как облучатели зеркальных или линзовых антенн и как элементы фазированных антенных решеток.
Рисунок 1.3 - Спиральная антенна в виде архимедовой спирали
1.2 Свойства спиральных антенн
1.2.1 Спиральные антенны и виды волн в них
Спиральные антенны являются слабо - и средненаправленными широкополосными антеннами эллиптической и управляемой поляризации. Они применяются в качестве самостоятельных антенн, облучателей зеркальных и линзовых антенн, возбудителей волноводно-рупорных антенн эллиптической и управляемой поляризации, элементов антенных решеток.
Спиральные антенны - это антенны поверхностных волн. По виду спирали ''направителя" (замедляющей системы) и способу обеспечения работы в широком диапазоне частот их можно разделить на:
а) цилиндрические регулярные, у которых геометрические параметры (шаг, радиус, диаметр провода) постоянны по всей длине и широкополосность обусловлена наличием дисперсии фазовой скорости;
б) эквиугольные или частотно-независимые (конические, плоские);
в) нерегулярные, у которых параметры есть функции координаты вдоль длинны спирали.
Спиральная антенна - это антенна бегущей волы. Волна тока, распространяясь от места возбуждения вдоль провода спирали, доходит до его свободного конца и отражается в обратном направлении. Подбором геометрии спирали и частоты питающего напряжения можно добиться быстрого спада как падающей, так и отраженной волн тока. Эти волны интерферируют друг с другом.
В этом случае на большей части провода спирали амплитуда тока будет почти постоянной, а фаза будет изменяться почти по линейному закону т.е. мы можем считать, что на большей части провода спирали имеет место бегущая волна тока. Отсутствие заметной отраженной волны тока в некотором интервале частот обеспечивает достаточно хорошее постоянство входного сопротивления и характеристик направленности в этом интервале.
Но указанными свойствами спиральная антенна обладает только при определенных условиях.
Распространяющаяся вдоль провода спирали бегущая волна тока не может вызвать внутри спирали электромагнитных волн типа H или E, так как это имеет место в волноводе со сплошными проводящими стенками. Благодаря более сложным анизотропным граничным условиям на образующей поверхности спирали указанная волна тока возбуждает внутри спирали электромагнитные волны более сложной структуры. Эти волны принято обозначать символом - Tn где n - число длин волн тока, укладывающихся на окружности витка цилиндра, поверхность которого является образующей спирали.
Характеристики направленности спиральной антенны существенным образом зависят от возбужденного в спирали типа волны.
Это можно наглядно показать, рассмотрев работу спирали с малым углом намотки. Если в спирали имеет место волна T0, то можно считать, что на протяжении одного витка спирали амплитуда, и фаза тока изменяются столь незначительно, что их можно считать постоянными. Поля, созданные на оси спирали симметричными элементами витка, как это видно на рис.1.4, взаимно компенсируют друг друга. Излучение вдоль оси спирали отсутствует. Основной составляющей поля в этом случае является, осевая составляющая.
В направлении, перпендикулярном оси, поля от указанных элементов витка не будут уничтожать друг друга благодаря разности расстояния от точки наблюдения до каждого из симметричных элементов витка. Но так как эта разность расстояний значительно меньше длины волны, то поле в этом направлении будет слабым, хотя и наибольшим по сравнению с полями в любом другом направлении. Характеристика направленности будет иметь вид, показанный на рис.1.5. Спираль, работающая в таком режиме, применятся в качестве элементов антенны, так же как замедляющая структура в ЛБВ, и кроме того в качестве приемопередаточной антенны сотовых аппаратов.
Рис.1.4., Рис.1.5.
Если в спирали имеет место волна типа T1, то на каждом витке её тока, оставаясь постоянным по амплитуде, дважды меняет своё направление. Из рисунка 1.6 видно, что в этом случае токи в симметричных элементах витка равны по величине и одинаковы по направлению. Поля от таких элементов в точках, лежащих на оси спирали, будут складываться. Основными составляющими поля спирали становятся поперечные составляющие. Осевая составляющая поля становится незначительной. Излучение в направлении оси будет наибольшим.
Рис.1.6., Рис.1.7.
Характеристика направленности примет вид, изображенный на рисунке 1.7. она состоит из одного почти симметричного относительно оси спирали главного лепестка и нескольких боковых лепестков, уровень которых значительно ниже уровня главного лепестка. Такая форма характеристики направленности обусловлена тем, что спираль в этом режиме представляет собой как бы решетку излучателей, поля которых синфазно складываются в направлении оси.
Подобная форма характеристики направленности сохраняется в широком диапазоне частот. Это объясняется тем, что изменение фазовой скорости волны тока в этом диапазоне происходит так, что поля всех витков по-прежнему складываются синфазно в направлении оси спирали. Такой режим работы спирали называется режимом осевого излучения. Ширина главного лепестка характеристики направленности и величина боковых лепестков зависят от числа витков спирали. Главный лепесток тем уже, чем больше число витков.
Если в спирали имеет место волна типа Т2, то на каждом витке спирали ток, оставаясь постоянным по амплитуде, будет менять своё направление четыре раза, как это показано на рисунке 1.8.
Рис.1.8
Токи в симметричных элементах витка равны по величине и противоположны по направлению. Поперечные составляющие поля на оси спирали будут равны нулю. Излучение вдоль оси спирали отсутствует. Характеристика направленности примет вид, показанный на рисунке 1.9.
Рис.1.9
Спираль, работающая в таком режиме, широкого применения в качестве антенны пока не нашла.
Аналогичным образом, рассмотрев режимы высших типов волн T3, T4 …, придем к выводу, что характеристики направленности, соответствующие этим режимам, также имеют вид, изображенный на рис.1.8. Спирали, работающие в режимах волн высших типов, применения в качестве антенн также пока не нашли.
Из приведенных рассуждений следует, что наиболее приемлемой характеристикой направленности в случае, когда нужно получить максимальный КНД, обладает спираль, работающая в режиме волны Т1.
Нетрудно показать, что спиральная антенна, работающая в режиме Т1, создает в направлении своей оси излучение круговой поляризации. Физически можно считать, что две ортогональные составляющие поля на оси спирали создаются двумя парами диаметрально противоположных элементов витка спирали. Но так как каждый виток спирали обтекается бегущей волной тока, то токи в этих элементах равны по амплитуде и сдвинуты по фазе на 90°; следовательно, ортогональные поперечные составляющие поля на оси спирали, созданные этими токами, также будут равны по амплитуде и сдвинуты по фазе на 90°, т.е. образуют поле круговой поляризации.
По мере увеличения отраженной волны от открытого конца спирали круговая поляризация излучения вдоль оси переходит в эллиптическую.
Из геометрических соображений видно, что спираль, создающая вдоль оси излучение круговой поляризации, в других направлениях создает излучение эллиптической поляризации, переходящее по мере удаления от оси в изучение линейной поляризации.
Во всем интервале существования режима Т1, амплитуда волны тока отражённой от открытого конца спирали, остается малой и изменяется незначительно. Это обусловливает относительное постоянство как активной, так и реактивной частей входного сопротивления спиральной антенны, работающей в этом режиме.
Незначительность амплитуды отраженной волны тока от открытого конца спирали, работающей в режиме T1, приводит к тому, что излучение спирали в направлении к ее входу оказывается настолько слабым, что в ряде случаев им можно пренебречь. На металлический экран, расположенный в плоскости входа антенны, падает слабое поле, и его влияние на поле, созданное спиралью в переднем полупространстве, весьма незначительно.