Опыт показывает, что спираль, работающая в режиме Т1 сохраняет относительное постоянство своих характеристик и параметров в более широком интервале частот, чем при работе в других режимах. Регулярная спираль, работающая в таком режиме, нашла наибольшее применение в антенной технике.
1.2.2 Широкополосность антенн
Как известно, одной из важных характеристик антенны является ее полоса пропускания, т. е. полоса частот, в пределах которой обеспечивается передача (прием) без существенных искажений всего спектра частот передаваемого (принимаемого) сигнала.
В основном ширина полосы пропускания антенны определяется зависимостью ее входного сопротивления от частоты. Эта зависимость приводит к изменению величины относительной амплитуды и фазы напряженности излучаемого поля на различных частотах спектра сигнала, что при приеме вызывает искажения последнего. При питании антенны фидером изменение ее входного сопротивления вызывает рассогласование, т.е. появление отраженных волн в фидере, что приводит к нелинейности фазовой характеристики фидера и к искажению формы передаваемого или принимаемого сигнала. Особенно существенны искажения широкополосных сигналов (телевидение, многоканальная радиорелейная телефонная связь).
В идеальном случае в требуемой полосе частот активная составляющая входного сопротивления- Rвх постоянна и реактивная составляющая - Xвх равна нулю. Добиться этого в достаточно широкой полосе частот принципиально невозможно, поэтому устанавливают определенные допуски на изменение Rвх и Xвх зависящие от характера передаваемого или принимаемого сигнала.
Зависимость направленных свойств антенны от частоты также влияет наотносительную величину напряженности поля в точке приема на различных частотах спектра передаваемого сигнала, что также может вызвать искажение этого сигнала. Однако, обычно, в пределах требуемой полосы пропускания направленные свойства антенны изменяются мало.
Диапазоном использования - (рабочим диапазоном) антенны будем называть диапазон частот, в пределах которого антенна удовлетворяет определенным техническим требованиям.
Ширина рабочего диапазона, а также требования, предъявляемые в нем к антенне, могут быть различными. Например, в случае длинноволновых и средневолновых антенн КПД их в рабочем диапазоне не должен быть ниже определенной величины, должна быть обеспечена возможность передачи заданной мощности, на различных рабочих волнах заданного диапазона должна быть обеспечена необходимая полоса пропускания. В случае коротковолновых антенн направленные свойства во всем рабочем диапазоне должны оставаться приемлемыми, входное сопротивление должно изменяться в допустимых пределах, чтобы можно было переходить с одной рабочей волны на другую без перестройки антенны и т. д.
Допустимые изменения входного сопротивления антенны в заданном диапазоне волн в основном определяются необходимостью обеспечения нормальных условий работы генератора, приемлемого кпд фидера и отсутствия перенапряжений в фидере. Уменьшение зависимости входного сопротивления от частоты одновременно приводит к расширению рабочего диапазона антенны и к расширению её полосы пропускания. В заданном рабочем диапазоне требование к направленным свойствам антенны могут быть различными. В некоторых случаях основным может являться постоянство направления максимального излучения, в других - уровень боковых лепестков, в третьих - ширина главного лепестка др.
С точки зрения рабочего диапазона современные антенны можно разбить на:
а) узкополосные (настроенные), основные параметры, которых (входное сопротивление, ширина диаграммы направленности, КНД и др.) сильно зависят от частоты, вследствие чего эти антенны могут работать без перестройки только в узкой полосе частот (относительная полоса частот составляет менее 10%);
б) широкодиапазонные, работающие без перестройки в широком диапазоне частот (от десяти процентов и выше), причем их основные параметры зависят от частоты, но значительно слабее, чем у настроенных антенн;
в) частотнонезависимые, основные параметры, которых теоретически не зависят от частоты.
Построение частотнонезависимых антенн основано на принципе электродинамического подобия, утверждающего, что при одновременном изменении длины волны и всех геометрических размеров антенны в одинаковом отношении (величина этого отношения называется масштабным множителем) характеристики антенны (диаграмма направленности, входное сопротивление и др.) остаются неизменными.
Во всех частотнонезависимых антеннах на данной длине волны в излучении участвует только часть антенны (активная область). При изменении длины волны эта область без изменения своих относительных размеров (размеров в долях волны) перемещается вдоль антенны.
Спиральные антенны относятся к широкодиапазонным и даже к частотно-независимым антеннам (квазичастотно-независимым).
1.2.3 Моделирование антенн
Спиральные антенны относятся к классу антенн бегущей волны. Они представляют собой металлическую спираль, питаемую коаксиальной линией. Спиральные антенны формируют диаграмму направленности, состоящую из двух лепестков, расположенных вдоль оси спирали по разные стороны от нее. На практике обычно требуется одностороннее излучение, которое получают, помещая спираль перед экраном или в отражающей полости. Существуют цилиндрические, конические и плоские спиральные антенны. Вид спиральной антенны может быть выбран по заданному диапазону волн. Если ширина диапазона не превышает 50%, то берется цилиндрическая спираль, коническая спираль обеспечивает диапазон в два раза шире, чем цилиндрическая. Плоские спиральные антенны обладают двадцатикратным перекрытием по рабочему диапазону. В радиолюбительской практике, в диапазоне УКВ, наибольший интерес представляет собой цилиндрическая спиральная антенна с круговой поляризацией и большим коэффициентом усиления. Если мы принимаем сигнал с линейной поляризацией (вертикальной или горизонтальной) на антенну с круговой поляризацией, теряется три децибела, но при этом намного уменьшается глубина замираний. При переотражении сигнала на длинных трассах, мы не знаем с какой поляризацией (или с каким наклоном) приходит сигнал в точку приема, для антенны с круговой поляризацией это не будет иметь никакого значения. Вообще можно отметить, что изготовление в домашних условиях антенн с большим коэффициентом усиления, типа ”волновой канал”, сопряжено с рядом трудностей. Необходимо строго выдерживать линейные размеры. При настройке обычно корректируют не более двух - трех элементов, расположенных рядом с активным вибратором. Расчет и настройка антенн типа “волновой канал” прост только для малого количества элементов. Параметры антенны могут значительно изменяться при небольшом изменении размеров элементов и их взаимного расположения. С ростом числа элементов, количество операций при настройке растет в геометрической прогрессии. Большое количество элементов сужает полосу пропускания антенны, уменьшает входное сопротивление. Увеличение реактивного сопротивления директоров по мере увеличения их числа приводит к уменьшению амплитуд токов в них. При этом особенно сильно уменьшаются токи в директорах, отстоящих далеко от активного вибратора. Поэтому сужение диаграммы направленности директорной антенны с увеличением ее длины происходит значительно медленнее, чем у антенны бегущей волны, элементы которой возбуждаются с одинаковой интенсивностью. По сравнению с директорными антеннами у спиральных антенн размеры являются менее критичными. Не критичность спиральных антенн к точности изготовления - большое их преимущество. При одном и том же усилении, спиральная антенна имеет меньшие размеры, чем антенна волновой канал. Так как полоса пропускания спиральной антенны, намного больше, чем любой любительский диапазон, нет необходимости даже измерять резонансную частоту антенны, достаточно измерить только входное сопротивление и рассчитать под него согласующее устройство, для оптимального согласования антенны с фидером питания.
D-диаметр спирали, S-шаг спирали
Рис.1.10 - Цилиндрическая спиральная антенна
Следует иметь в виду, что спиральные антенны имеют излучение с вращающейся поляризацией. При работе на передачу спиральная антенна излучает поле с вращающейся поляризацией, право или лево поляризованное, в зависимости от направления намотки спирали. При работе на прием она принимает либо поле вращающейся поляризации с направлением вращения, как и при передаче, либо поле любой линейной поляризации. При расчете КНД антенны следует делать поправку на круговую поляризацию и от результата отнимать 3 dВ.
Для приема излучения с линейной поляризацией, чтобы не терять 3 dВ, можно применять антенну, состоящую из двух близко расположенных параллельных спиралей, намотанных в противоположные стороны. Если антенна предназначена для работы только на одном радиолюбительском диапазоне, например, 430 / 435 МГц, желательно заузить полосу пропускания антенны при помощи четвертьволнового короткозамкнутого шлейфа, выполненного из медного провода диаметром 2-3 мм или медной шинки, соединяющей разъем и экран (Рис.1.11).
Рисунок 1.11
Если спирали расположить в горизонтальной плоскости, то возможен прием волн с горизонтальной поляризацией, а при вертикальном расположении - с вертикальной поляризацией. Антенна из двух параллельно расположенных спиралей дает возможность при соединении спиралей параллельно получать входное сопротивление Rвх = (65-80) Ом, что удобно при питании ее обычным коаксиальным кабелем без согласующих устройств.
Для создания антенны с управляемой поляризацией, совмещают две противоположно направленные обмотки (рисунок 1.12). То есть делается двухзаходная спираль на одном каркасе с противоположным направлением намотки витков.
Спирали с противоположным направлением намотки развязаны относительно друг друга на 40 dВ, меняя сдвиг по фазе между токами в обеих обмотках можно управлять направлением поляризации.
В диапазонах 1200 мГц и выше антенну следует помещать не над экраном, а в коническом рупоре, что увеличивает в четыре раза коэффициент направленного действия такой антенны по сравнению с обычной спиралью такой же длины, а уровень боковых лепестков становится на 15 - 20 dВ ниже (рисунок 1.13).
Цилиндрическая спиральная антенна состоит из следующих основных частей: проволочной спирали, сплошного или сетчатого экрана, согласующего устройства. В конструкцию антенны могут входить так же диэлектрический каркас, на который наматывается спираль и диэлектрические растяжки, придающие антенне жесткость.
Если спираль крепится на сплошном каркасе из диэлектрика, то ее расчетные размеры должны быть уменьшены в 1/v раз. Спираль наматывается из проволоки, трубки либо плоской ленты. Как витки, так и экран необязательно делать круглыми, их можно делать квадратными или многоугольными. Длина витка спирали принимается равной средней длине волны заданного диапазона L=лcp.
Рис.1.12 - Двухзаходная спиральная антенна
Рис.1.13 - Конический рупор с противоположным направлением со спиральным возбудителем намотки витков
Шаг спирали находится из условия S=0,22, если необходимо получить круговую поляризацию поля, или из условия
Если необходимо получить от антенны максимальный КНД L - длина витка, S - шаг спирали. Входное сопротивление почти чисто активное.
Расстояние начала спирали от экрана выбирают равным 0,13. Диаметр диска экрана принимается равным (0,9..1,1); диаметр провода спирали берется порядка (0,03..0,05)лcp.
1.3 Антенные решетки
Антенная решётка (АР) - сложная направленная антенна, состоящая из совокупности отдельных слабонаправленных антенн (излучающих элементов), расположенных в пространстве особым образом. Антенные решётки применяются для повышения усиления всей системы в сравнении с отдельным антенным элементом, а также получения возможности управления формой диаграммы направленности.
В качестве элементарных излучателей в АР могут использоваться различные антенны как малой, так и большой направленности. Например, в простейших решётках в качестве элементарной антенны могут быть установлены симметричные и несимметричные вибраторы, волноводные щели, печатные излучатели и т.п. В радиоастрономии используются системы из нескольких больших зеркальных антенн с узкой диаграммой направленности сориентированных в одном направлении. Это позволяет увеличить в N раз коэффициент усиления системы и принимать сигнал из пространства на малых отношениях сигнал/шум.
Антенные элементы в АР могут быть расположены различным способом. Если фазовые центры излучателей расположены в одной оси, то решётка называется линейной, если в плоскости - плоской. Существуют и более сложные варианты размещений антенных элементов в пространстве. Зачастую такие системы называют конформными, потому что они повторяют форму поверхности, на которой размещены излучатели. На пример это может быть поверхность летательного аппарата, спутника земли, либо сложный рельеф местности. Наиболее распространены антенные решётки, излучающие элементы которых расположены в одной плоскости.
Под линейной решеткой понимается система идентичных излучателей, центры излучения которых расположены на прямой, называемой осью решетки. Диаграмма направленности линейной антенной решетки в горизонтальной плоскости зависит от числа излучателей, расстояния между ними и формы амплитудного распределения поля по раскрыву. Для расчета антенную решетку заменяют непрерывным излучающим раскрывом.
Рисунок 1.14 - Нормированная ДН линейной антенной решетки в горизонтальной плоскости
2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
Антенна выполнена в виде синфазной эквидистантной антенной решётки (рис. 2.1) из цилиндрических спиралей и должна обеспечить на входе приёмного устройства мощность сигнала Р2 при заданном значении напряженности поля в точке приёма Е. Антенным фидером служит коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом.
Рисунок 2.1 - Эскиз антенной решетки из двух спиральных излучателей
Питание излучателей антенной решетки производится по схеме типа «ёлочка» (рис.2.2).
Рисунок 2.2 - Схема питания типа «ёлочка» для антенной решетки из восьми спиральных излучателей (1 - коаксиальный фидер, 2 - коаксиальные тройники, 3 - спиральный излучатель)
2.1 Расчет геометрических параметров
Определение числа спиралей и расчет их конструктивных размеров.
Длина витка спирали L и шаг витка S ориентировочно равны:
где л - длина волны, равная:
м.
Следовательно:
L=0,6 м,
S=0,132 м.
Зададимся числом витков в спирали (не более 10):
Число витков в спирали n=5.
Осевая длина спирали рассчитывается по формуле:
Диаметр витка спирали найдем исходя из формулы:
Отсюда выразим d:
Диаметр экрана равен:
D=(0,9..1,1)л
Входное сопротивление спирали рассчитывается по формуле:
2.2Антенный фидер
Выбор типа фидера производится исходя из данного волнового сопротивления 75 Ом в соответствии с приложением 1. Для расчета выберем фидер РК-75-4-15 (РК-1).
2.2.1 Расчет затухания фидера
Расчет погонного ослабления в фидере производится по формуле:
где d - диаметр внутреннего проводника,
D - диаметр внешнего проводника,
- удельная проводимость меди,
- относительная диэлектрическая проницаемость изоляции кабеля.
2.3 Расчет КНД антенны
Для расчета КНД по известным значениям мощности на входе приемного устройства Р2 и напряженности электрического поля Е в месте расположения приемной антенны воспользуемся следующей формулой:
где G2 - коэффициент усиления приемной антенны;
з2 - КПД фидера приемной антенны