Спиральная антенна принадлежит к классу антенн с бегущей волной. Ее основной диапазон работы - дециметровый и сантиметровый. Она относится к классу поверхностных антенн. Главным ее элементом является спираль, подключенная к коаксиальной линии. Спираль создает диаграмму направленности в виде двух лепестков, излучаемых вдоль ее оси в разные стороны.
Спиральные антенны бывают цилиндрические, плоские и конические. Если необходимая ширина рабочего диапазона составляет 50% и меньше, то в антенне используется цилиндрическая винтовая линия. Коническая спираль увеличивает диапазон приема в два раза по сравнению с цилиндрической. А плоские дают уже двадцатикратное преимущество. Наибольшую популярность для приема в частотном диапазоне УКВ получила цилиндрическая радиоантенна с круговой поляризацией и большим коэффициентом усиления выходного сигнала.
Устройство антенны
Главной деталью антенны является свернутый в спираль проводник. Здесь применяется, как правило, медный, латунный или стальной провод. К нему подсоединен фидер. Он предназначен для передачи сигнала от спирали в сеть (приемник) и в обратном порядке (передатчик). Фидеры бывают открытого и закрытого типа. Фидеры открытого типа представляют собой неэкранированные волноводы. А закрытого типа имеют специальный экран от помех, что делает электромагнитное поле защищенным от внешнего воздействия. В зависимости от частоты сигнала, определяется следующая конструкция фидеров:
До 3 МГц: экранированные и неэкранированные проводные сети;
От 3 МГц до 3 ГГц: коаксиальные провода;
От 3ГГц до 300 ГГц: металлические и диэлектрические волноводы;
Свыше 300 ГГц: квазиоптические линии.
Еще одним элементом антенны стал отражатель. Его предназчение - фокусирование сигнала на спираль. Он изготавливается в основном из алюминия. Основанием для антенны служит каркас с маленькой диэлектрической проницаемостью, например, пенопласт или пластик.
Расчет основных размеров антенны
Расчет спиральной антенны начинается с определения основных размеров винтовой линии. Ими являются:
Количество витков n;
Угол подъема витка a;
Диаметр спирали D;
Шаг витка спирали S;
Диаметр отражателя 2D.
Первое, что надо понять при проектировании спиральной антенны, - она является резонатором (усилителем) волны. Ее особенностью стало высокое входное сопротивление.
От геометрических размеров контура усиления зависит тип волн, возбуждаемых в ней. Соседние витки спирали оказывают очень сильное влияние на характер излучения. Оптимальные соотношения:
D=λ/π, где λ-длина волны, π=3,14
Т.к. λ величина, изменяющаяся и зависящая от частоты, то в расчетах берутся средние значения этого показателя, рассчитанного по формулам:
λ min= c/f max; λ max= c/f min, где с=3×10 8 м/сек. (скорость света) и f max, f min - максимальный и минимальный параметр частоты сигнала.
λ ср=1/2(λ min+ λ max)
n= L/S, где L - общая длина антенны, определяющаяся по формуле:
L= (61˚/Ω) 2 λ ср, где Ω - коэффициент направленного действия антенны, зависящий от поляризации (берется из справочников).
Классификация по рабочему диапазону
По основному диапазону частот, приемо-передающие устройства бывают:
1. Узкополосные. Ширина диаграммы направленности и входное сопротивление сильно зависят от частоты. Это говорит о том, что антенна может работать без перенастройки только в узком спектре длины волны, примерно 10% относительной полосы частот.
2. Широкодиапазонные. Такие антенны могут работать в большом спектре частоты. Но их основные параметры (КНД, диаграмма направленности и т. д.) все-таки зависят от изменения длины волны, но не так сильно, как у узкополосных.
3. Частотнонезависимые. Считается, что здесь основные параметры не меняются при изменении частоты. В таких антеннах имеется активная область. Она имеет возможность перемещаться вдоль антенны, не меняя своих геометрических размеров, в зависимости от изменения длины волны.
Чаще всего встречаются спиральные антенны второго и третьего типа. Первый тип применяется, когда необходима повышенная «четкость» сигнала на определенной частоте.
Самостоятельное изготовление антенны
Промышленность предлагает большой выбор антенн. Разнообразие цен может варьировать от несколько сотен до несколько тысяч рублей. Существуют антенны для телевидения, спутникового приема, телефонии. Но можно изготовить спиральную антенну и своими руками. Это не так сложно. Особой популярностью пользуются спиральные антенны для Wi-Fi.
Они особо актуальны, когда необходимо усилить сигнал от роутера в каком-нибудь большом доме. Для этого понадобится медная проволока, сечением 2-3 мм 2 и длиной 120 см. Необходимо сделать 6 витков диаметром 45 мм. Для этого можно использовать трубку, соответствующего размера. Хорошо подходит черенок от лопаты (у него примерно такой же диаметр). Наматываем проволоку и получаем спираль с шестью витками. Оставшийся конец сгибаем таким образом, чтобы он ровно проходил через ось спирали, «повторяя» ее. Растягиваем винтовую часть, чтобы расстояние между витками находилось в пределах 28-30 мм. Затем приступаем к изготовлению отражателя.
Для этого подойдет кусок алюминия размером 15 × 15 см и толщиной 1,5 мм. Из этой заготовки делаем круг диаметром 120 мм, обрезая ненужные края. В центре круга просверливаем отверстие на 2 мм. Вставляем в него конец спирали и припаиваем обе детали друг к другу. Антенна готова. Теперь необходимо вывести провод излучения из модуля антенны роутера. И конец провода спаять с выходящим из отражателя концом антенны.
Особенности антенны на 433 МГц
В первую очередь, надо сказать, что радиоволны с частотой 433 МГц при своем распространении хорошо поглощаются землей и различными препятствиями. Для ее ретрансляции используются передатчики малой мощности. Как правило, такую частоту применяют различные охранные устройства. Она специально используется в России, с целью не создавать помехи в эфире. Спиральная антенна на 433 МГц требует большего коэффициента выходного сигнала.
Еще одной особенностью при использовании такой приемопередающей аппаратуры является то, что волны данного диапазона имеют возможность складывать фазы прямой и отраженной волны от поверхности. Это может привести либо к усилению сигнала, либо к его ослаблению. Из вышеизложенного можно сделать вывод, что выбор «лучшего» приема зависит от индивидуальной настройки положения антенны.
Самодельная антенна на 433 МГц
Спиральную антенну на 433 МГц своими руками изготовить просто. Она очень компактна. Для этого понадобится небольшой отрезок медного, латунного или стального провода. Можно применить и просто проволоку. Диаметр провода должен составлять 1 мм. Наматываем 17 витков на оправку диаметром 5 мм. Растягиваем винтовую линию, чтобы ее длина составила 30 мм. При этих размерах испытываем антенну на прием сигнала. Изменяя расстояние между витками, путем растяжения и сжатия спирали, добиваемся лучшего качества сигнала. Но надо знать, что такая антенна очень чувствительна к различным предметам, подносимым к ней близко.
Приемная антенна ДМВ
Спиральные антенны ДМВ необходимы для приема телевизионного сигнала. По своей конструкции они состоят из двух частей: отражатель и спираль.
Для спирали лучше применять медь - она имеет меньшее сопротивление и, следовательно, меньшую потерю сигнала. Формулы для ее расчета:
Общая длина спирали L=30000/f, где f- частота сигнала (МГц);
Шаг спирали S= 0,24 L;
Диаметр витка D=0,31/L;
Диаметр провода спирали d ≈ 0,01L;
Диаметр отражателя 0,8 nS, где n- количество витков;
Расстояние до экрана H= 0,2 L.
Коэффициент усиления:
K=10×lg(15(1/L)2nS/L)
Чашка отражателя изготавливается из алюминия.
Другие виды приемопередающей аппаратуры
Коническая и плоская спиральные антенны встречаются реже. Это связано с трудностью их изготовления, хотя они и имеют лучшие характеристики по диапазону передачи и приема сигнала. Излучение таких передатчиков формируется не всеми витками, а лишь теми, длина которых близка к длине волны.
В плоской антенне винтовая линия выполнена в виде свернутой в спираль двухпроводной линии. В этом случае соседние витки возбуждаются синфазно в режиме бегущей волны. Это приводит к тому, что создается поле излучения с круговой поляризацией в сторону оси антенны, позволяя создавать широкую полосу частот. Встречаются плоские антенны с так называемой спиралью Архимеда. Это сложная форма позволяет существенно увеличить частотный диапазон передачи от 0,8 до 21 ГГц.
Сравнение спиральных и узконаправленных антенн
Основное отличие спиральной антенны от направленной заключается в том, что она меньше размером. Это делает ее более легкой, что позволяет производить монтаж с меньшими физическими усилиями. Ее недостатком является более узкий диапазон частот приема и передачи. Также она имеет более узкую диаграмму направленности, что требует «поиска» лучшего положения в пространстве для удовлетворительного приема. Несомненное ее преимущество - простота конструкции. Большим плюсом является возможность настраивать антенну при помощи изменения шага витка и общей длины спирали.
Укороченная антенна
Для лучшего резонанса в антенне нужно, чтобы «вытянутая» длина спиральной части как можно ближе была к значению длины волны. Но она не должна быть меньше ¼ длины волны (λ). Таким образом, λ может доходить до 11 м. Это актуально для КВ-диапазона. В этом случае антенна будет слишком длинной, что неприемлемо. Одним из способов увеличить длину проводника является установка удлиняющей катушки у основания приемника. Еще один вариант - запитывание в цепь тракта тюнера. Его задача - согласование выходного сигнала передатчика радиостанций, с антенной на всех рабочих частотах. Если говорить понятным языком, то тюнер выступает в роли усилителя входящего сигнала с приемника. Такая схема применяется в автомобильных антеннах, где очень важен размер элемента, принимающего радиоволну.
Заключение
Спиральные антенны получили большую популярность во многих областях радиоэлектронных коммуникаций. Благодаря им осуществляется сотовая связь. Также их применяют в телевидении и даже в дальней космической радиосвязи. Одной из перспективных разработок по уменьшению габаритов антенны стало применение конусного рефлектора, позволяющего увеличить длину принимающей волны, по сравнению с обычным отражателем. Однако есть и недостаток, выраженный в уменьшении спектра рабочей частоты. Также интересным образцом является «двухзаходная» коническая спиральная антенна, позволяющая работать в широком спектре частот, благодаря формированию изотропной диафрагмы направленности. Это происходит потому, что линия питания в виде двухпроводного кабеля обеспечивает плавное изменение волнового сопротивления.
Супер простую и супер быструю в изготовлении антенну из коаксиального кабеля для приема каналов цифрового телевидения можно сделать своими руками минут за 5. Для этого вам не потребуется абсолютно ничего, кроме самого кабеля. И это главнейший плюс этой антенны.
Без телевизора сейчас никуда.
Эта конструкция вас обязательно выручит, к примеру, когда вы только-только въехали в жилище и ещё успели ни протянуть кабель, ни поставить стационарную антенну. Конечно это не единственный пример где поможет эта по истине простая петлевая антенна.
Сейчас в комментариях кто-нибудь обязательно напишет, что есть антенны ещё проще, типа штыревой. Для изготовления которой будет достаточно просто снять две изоляции с кабеля и всё будет работать. Я конечно с этим соглашусь, но петлевая антенна, которую сделаю я из коаксиального кабеля будет иметь гораздо большее усиление, ввиду своей направленности и резонансно-замкнутого контура.
Изготовление антенны из коаксиального кабеля
Так выглядит вариант сделанный из черного кабеля.
А теперь изготовление антенны по порядку. Все что нам понадобится это менее полуметра коаксиального кабеля любого цвета. Я взял белый.
От края кабеля отступаем 5 см и снимаем верхнюю изоляцию.
Далее снимаем изоляцию с центральной жилы.
Теперь все вместе аккуратно и плотно скручиваем.
Затем, от края со снятой изоляцией отступаем 22 см и вырезаем кусочек 2 см верхней изоляции и экранированной проволоки с фальной, не трогая при этом изоляцию центральной жилы.
Теперь от конца разреза отмеряем ещё 22 см и делаем прорез шириной 1 см только со снятием верхней изоляции. Экран кабеля не трогаем.
Далее берем конец кабеля, с которого начинали. И очень плотно приматываем его у последнему разрезу, формируя круг антенны.
На этом наша антенна готова к работе. Конечно это не обязательно, но если вешать антенну на улицу, то лучше изолентой заизолировать все оголенные места кабеля. Так же можно добавить жесткий каркас, но это по желанию.
Расположение антенны
Антенну направляем на ретранслятор или телевизионную вышку. Направление можно выбрать и опытным путем, вращая антенну.Лучшем вариантом будет если разместить ее за окном, так как стены дома очень сильно глушат высокочастотный сигнал.
Проверка показала отличный результат работы
На частотах выше 300 МГц и выше широкое применение находят цилиндрические спиральные антенны бегущей волны. Один из вариантов исполнения спиральной антенны приведён на рис.1. Она представляет собой спираль диаметром D и шагом намотки S , и металлического рефлектора, выполненного в виде диска или квадрата с размером ≈2D .
В зависимости от геометрических параметров (электрической длины периметра витка с и электрической длины шага спирали S ) спиральной антенны, в ней могут возбуждаться различные типы волн (моды). Наибольшее значение на характер излучения антенны оказывает фазовое соотношение между соседними витками спирали.
Нас интересует волна Т1 (рис.2), для которой характерно отличие на 360 градусов фазы токов на соседних витках.
Волна Т1 образуется при электрической длине периметра витка, близкой к длине волны λ , при этом спиральная антенна работает в режиме осевого излучения (максимум излучения совпадает с осью спирали).
Оптимальные размеры спиральной антенны:
- Диаметр витка D=λ/π
- Шаг спирали S=0,25λ
- Угол спирали α=12°
Входное сопротивление антенн, при условии 12°≤α≤15° , 0,75λ<с<1,33 λ и количестве витков n>3 равно:
RА ≈140·с/λ (ом)
Ширина основного лепестка диаграммы направленности по уровню половинной мощности:
θ0,5 =52 ·λ/с ·√nS/ λ (градусов)
На рис.3 изображён результат расчёта диаграммы направленности спиральной антенны в вертикальной и горизонтальной плоскости с помощью программы MMANA .
Рис.3 Диаграмма направленности спиральной антенны.
Цилиндрические спиральные антенны, работающие в режиме волны Т1 имеют круговую поляризацию. При приёме сигнала антенной с линейной поляризацией (вертикальной или горизонтальной) сигнал будет ослаблен на 3дБ (в два раза). Чтобы этого избежать, можно использовать систему из двух спиральных антенн с противоположным направлением намотки спирали и питаемых синфазно, расположенных на расстоянии 0,5 λ или 1,5 λ (рис.4).
Входное сопротивление такой антенной системы будет равно 67,6 ома, что хорошо согласуется с волновым сопротивлением коаксиального кабеля (КСВ 1,1 и 1,35 для 75 и 50 омного кабеля соответственно). Волновое сопротивление однопроводной линии (рис.5) участка ab должно соответствовать входному сопротивлению спиральной антенны (≈140ом). Для этого необходимо выдержать соотношение e/d равным ≈2,75.
Для согласования одиночной антенны или антенной системы, состоящей из трёх и более антенн в данном случае можно использовать экспоненциальный согласующий трансформатор, конструктивно выполненный в виде полосковой линии (рис.6). У экспоненциальной линии волновое сопротивление изменяется вдоль её длины по закону:
Z 0 (x)=Z 01 e bx , где
Z 01 - волновое сопротивление линии на входе
Z 0 (x) - волновое сопротивление линии в сечении, расположенном на расстоянии х от её начала
b - параметр, показывающий скорость изменения волнового сопротивления линии
В зависимости от КСВ и известного отношения Z02 /Z01 волновых сопротивлений в конце и в начале линии её минимальную длину расчитывают по формуле:
,
где 
;
На рис.7 изображён экспоненциальный согласующий трансформатор, расчитаный на согласование сопротивлений 140 ом и 50 ом на частоте 2450 МГц при КСВ 1,2. Расстояние e равно 7 мм, диэлектрик - воздух (ε=1), толщина материала d 1 мм.
Благодаря высокому коэффициенту усиления и стабильности электрических параметров, ввиду невысокой чувствительности к внешним факторам и отклонениям в геометрии, цилиндрические спиральные антенны могут найти широкое применение в системах связи и безопасности для организации дальней связи.
Литература
Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ.
Беньковский З., Липинский Э. Любительские антенны КВ и УКВ.
Уронов Л.Г.
ООО «ТехноСфера», 2011 г.
В окружающем нас мире часто очень важным оказывается тот факт, что человек не может обойтись без большого количества необходимой и своевременной информации. Эта информация может носить как мирный так и военный характер, но она предназначена прежде всего для облегчения деятельности человека.
Одной из разновидностью устройств служащих для приема и передачи информации являются антенны.
В данной курсовой работе будут рассмотрены вопросы расчета антенны, удовлетворяющей поставленным техническим требованиям.
2. Цель работы
Целью работы является изучение спиральной антенны ДЦМВ диапазона, что подразумевает собой расчет геометрических размеров антенны, ее характеристик излучения.
3. Краткий обзор спиральных антенн
Спиральные антенны относятся к классу антенн бегущей волны. Они представляют собой металлическую спираль, питаемую коаксиальной линией. Имеется довольно много разновидностей спиральных антенн, однако почти все можно свести к следующим трем типам:
а) цилиндрическая (см. рисунок 3.1) ;
б) коническая (см. рисунок 3.2) ;
в) плоская (см. рисунок 3.3).
Рисунок 3.1 - Цилиндрическая антенна.
Рисунок 3.2 - Коническая антенна.
Рисунок 3.3 - Плоская антенна.
В зависимости от числа ветвей спирали, они могут быть однозаходные (одна ветвь), двухзаходные (две ветви) и т.д.
Принцип действия спиральных антенн
Спиральная антенна (рис. 4.1) состоит из проволочной спирали , питаемой коаксиальной линией. Внутренний провод этой линии присоединяется к спирали, а наружная оболочка - к металлическому диску.
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 перед экраном (диском). Кроме того диск спиральной антенны служит для уменьшения токов на наружной оболочке коаксиальной линии, уменьшения колебаний входного сопротивления в рабочем. Диаметр диска выбирается порядка (0.8-1.5)l, где l - длина спирали. Диск не обязательно выполнять из сплошного листа, его можно изготовить из системы радиальных и круговых проводов.
4. Основа работы цилиндрической спиральной антенны
Подробные исследования показали, что на излучающей цилиндрической спирали одновременно существует несколько типов тока, отличающихся друг от друга амплитудой и числом периодов, укладывающихся вдоль оси спирали со своим затуханием и со своей фазовой скоростью. Однако форма диаграммы направленности спирали зависит, в основном, лишь от одной, преобладающей волны, тип которой определяется соотношением между длиной витка спирали и рабочей длиной волны.
Введем следующие обозначения:
Рабочая длина волны в свободном пространстве;
Т q - волна тока в спирали q-го типа; q=0,1,2…. Целое число, указывающее, сколько периодов волны тока укладывается вдоль одного витка спирали;
V q - скорость распространения волны тока Т q по проводу спирали;
С - скорость света в свободном пространстве;
D - диаметр витка цилиндрической спирали.
Известно три режима работы цилиндрической спиральной антенны:
Когда длина витка спирали меньше 0.65 (при этом длина волны >5D), на ней преобладает волна Т 0 , характеризующаяся изменением фазы тока в пределах 360 0 на протяжении нескольких витков. Волна Т 0 от конца спирали приводит к образованию стоячих волн, которые и формируют диаграмму направленности антенны. Волна Т 1 имеет весьма малую амплитуду и в излучении не участвует. Максимальное излучение для этого случая получается в плоскости, перпендикулярной оси спирали(рис 4.2а) и в этой плоскости оно не направлено.
Если длина витка лежит в пределах от 0.75-1.3 (длина волны соответственно =4D-2.2D), на ней преобладает волна Т 1 , фазовая скорость которой меньше скорости света V 1 0.82 C. Волна Т 1 интенсивно излучается всеми витками, поэтому в спирали устанавливается бегущая волна тока, формирующая максимум излучения вдоль оси спирали (рис 4.2 б). Имеющаяся также на спирали волна Т 0 быстро затухает по длине спирали и ее вклад в диаграмму направленности невелик.
Режим осевого излучения является основным, наиболее используемым режимом для работы спиральных антенн, поэтому волна Т 1 , являющаяся преобладающей, когда длина провода витка спирали примерно равна рабочей длине волны, называется основной.
При длине витка спирали, большей 1.5 (в этом случай <2D), на цилиндрической спирали помимо основного типа волны Т 1 возникают волны Т 2 , Т 3 и т.д. Волна Т 1 становится затухающей, в то время как Т 2 имеет постоянную амплитуду и является определяющей в излучении. Максимальное излучение получается в направлениях, образующих острый угол относительно оси антенны, и пространственная диаграмма получается в форме конуса
Рисунок 4.1 - схема возбуждения спиральной антенны.
Рисунок 4.2 - спирали, имеющие разный диаметр, и соответствующие им диаграммы направленности.
5. Расчет параметров цилиндрической антенны
Параметрами цилиндрической спирали являются:
n - число витков спирали,
Угол подъема витка,
R - радиус спирали,
l - осевая длина спирали,
S - шаг спирали,
L - длина витка спирали.
Между указанными параметрами существуют следующие соотношения (см Рис 5.1):
Рисунок 5.1
Диаметр витков спирали и шаг намотки должны быть выбраны таким образом, чтобы каждый виток имел поляризацию, близкую к круговой, и максимальное излучение в направлении оси спирали (ось Z). Кроме того, нужно, чтобы напряженности полей, создаваемых отдельными витками в направлении оси Z, складывались в месте приема в фазе или с небольшим сдвигом фаз. В соответствии с теорией антенны бегущей волны максимальный коэффициент направленого действия получается в том случае, когда сдвиг фаз A1 между напряженностью поля, создаваемого первым (от источника) витком, и напряженностью поля, создаваемого последним витком, равен.
Для обеспечения круговой или близкой к ней поляризации поля, а также для обеспечения интенсивного излучения каждого витка в направлении оси Z нужно, чтобы длина витка была близкой к. Сказанное можно пояснить следующим образом. Предположим, что шаг витка бесконечно мал, тогда виток образует плоскую рамку. Как известно, в спиральной антенне КБВ получается близким к единице. Предположим поэтому, что в спиральной антенне имеет место режим бегущей волны. Предположим, кроме того, что скорость распространения тока по витку равна скорости света. При этом сдвиг фаз между током в начале и в конце витка равен.
В направлении оси Z составляющие векторов напряженностей поля Ex и Ey будут одинаковой величины.Сдвиг фаз между этими составляющими будет равняться /2. Последнее следует из того, что токи в элементах витка, ориентированных параллельно оси X, сдвинуты по фазе на /2 по отношению к фазе токов в элементах, ориентированных параллельно оси Y. Равенство величин Ex и Ey и сдвиг фаз между ними, равный /2, обеспечивает круговую поляризацию. При длине витка, равной, и скорости распространения тока вдоль провода, равной скорости света, обеспечивается также интенсивное излучение в направлении оси Z. Последнее может быть приближенно доказано следующим образом. Рассмотрим два произвольных элемента витка, расположенных симметрично относительно центра, например элементы 1 и 2 (рис. 5.2). Каждый из этих элементов имеет максимальное излучение в направлении оси Z. Векторы E, создаваемые этими элементами в направлении оси Z, паралллельны касательным к окружности в точках 1 и 2. Сдвиг фаз между токами в элементах 1 и 2 вследтвии режима бегущей волны равен. Кроме того, токи в этих элементах имеют противоположные направления, что эквивалентно дополнительному сдвигу фаз, равному. Таким образом, поля обоих элементов в направлении оси Z складываются в фазе. Нетрудно показать, что любые два симметрично расположенных элемента создают в направлении оси Z синфазные поля, что обеспечивает интенсивное излучение в этом направлении.
Приведенное здесь элементарное изложение принципа работы спиральной антенны не учитывает всей сложности происходящих в ней процессов и, в частности, то, что в действительности имеет место значительное отражение энергии от спирали. Кроме того, волна вдоль антенны распространяется как непосредственно вдоль провода, так и через пространственную связь между витками, что создает более сложную картину распределения тока.
Рисунок 5.2.
Для обеспечения круговой или близкой к ней поляризации поля, а также обеспечения интенсивного излучения каждого витка в направлении оси Z необходимо, чтобы длина витка была близкой к.
Шаг намотки и диаметр витка выбраны таким образом, что сдвиг фаз между напряженностями полей, создаваемых первым и последним элементами витка, то в направлении оси Z сохраняется круговая поляризация и максимальное излучение. Это будет иметь место при удовлетворении соотношения:
2????????????????
Сдвиг фаз между полями начального и конечного элементов витка, определяемый разностью хода лучей от этих элементов; - сдвиг фаз полей этих элементов, определяемый сдвигом фаз токов этих элементов.
Из вышеуказанного уравнения получаем соотношение между L и S, соответствующее круговой поляризации:
Если выбрать соотношение между S и L в соответствии с этой формулой, то сдвиг фаз между полями, создаваемыми в направлении Z соседними витками, также будет равняться 2. Таким образом поля всех витков антенны складываются в фазе, что обеспечивает максимальное излучение в направлении оси Z. Однако такой режим работы спиральной антенны не соответствует максимальному значению КНД. Максимальный КНД получается при сдвиге фаз между полями первого и второго витков, равном. Для этого нужно, чтобы:
где n - число витков спирали.
Из (5.3) находим соотношение между и S, соответствующее максимальному значению КНД:
При удовлетворении соотношения (5.4), однако, не получается чисто круговой поляризации, при этом несколько увеличивается уровень боковых лепестков. Коэффициент неравномерности поляризационной характеристики в направлении оси спирали равен:
Если данные антенны подобраны в соответствии с формулой (5.2) или (5.4), то хорошие направленные свойства сохраняются в значительном диапазоне, лежащем примерно в пределах от 0.75 до 1.3, где - волна, для которой подобрано оптимальное соотношение между L, C/V1, n и S.
Расчет антенны:
Исходные данные к расчету антенны
Рабочий диапазон длин волн: min=0.48 m
Ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности - 40 градусов
Расчет геометрических размеров антенны
Выберем среднее значение длины волны из заданного диапазона:
На основании экспериментальных исследований были получены следующие эмпирические формулы, справедливые для 5 Ширина диаграммы направленности по половинной мощности, выраженная в градусах: Коэффициент направленного действия(КНД) в направлении ее оси: Входное сопротивление Шаг спирали можно найти из условия (5.2), если необходимо получить круговую поляризацию, либо из (5.4), для получения максимального КНД. Пусть нам необходима круговая поляризация, тогда шаг спирали равен Удовлетворяет условию 12 0 <<15 0 , значит мы можем применить формулы, полученные на основании экспериментальных исследований: Для нахождения длины антенны, выразим l=nS из (5.7) при удовлетворении условия (5.9): А значит число витков равно: Для дальнейших расчетов округлим число n до целого: n=8, тогда l=nS=0.986м(5.14) Радиус спирали будет равен (см.рис.5.1):отсюда Входное сопротивление антенны в режиме осевого излучения остается чисто активным, так как в этом режиме в проводе спирали устанавливается режим бегущей волны. Пусть нам необходимо получить максимальный КНД, тогда Чтобы излучение антенны было осевым примем длину витка спирали равной средней длине волны заданного диапазона: шаг спирали равен Угол намотки витков будет равен: Удовлетворяет условию 12 0 <<15 0 , значит мы можем применить формулы, полученные на основании экспериментальных исследований: Для нахождения длины антенны, выразим l=nS из (5.7) при удовлетворении условия (5.18): А значит число витков равно: Для дальнейших расчетов округлим число n до целого: n=6, тогда l=nS=0.846м(5.23) Радиус спирали будет равен: Длина провода для намотки спирали будет равна: Коэффициент направленного действия: Входное сопротивление Для обоих случаев: Диаметр диска экрана принимается равным (0.9-1.1) ср Диаметр провода спирали выбирается порядка (0.03-0.05) ср Расчет диаграммы направленности: Приближенно можно считать, что амплитуда бегущей волны в спирали постоянна. Тогда диаграмма направленности антенны может быть представлена произведением диаграммы направленности одиночного витка на диаграмму направленности решетки из n ненаправленных излучателей, где n - число витков: где - угол относительно оси спирали. Это приближение справедливо тем больше, чем больше витков n имеет спираль и чем меньше шаговый угол. Диаграмма направленности одиночного витка приближенно описывается выражением Множитель решетки, как известно, равен Применительно к спиральной антенне сдвиг фаз между токами соседних витков. Учитывая, что С/V1=1.22, для расчета диаграммы направленности цилиндрической спиральной антенны получим следущее приближенное выражение: В итоге при получении максимального КНД, будем иметь диаграммы направленности для трех значений длин волн: min , ср, мах: При получении круговой поляризации, будем иметь диаграммы направленности для трех значений длин волн: min, ср, мах: Согласование антенны с коаксиалом(Zв=75 ом) Согласовать антенну с коаксиалом можно несколькими способами: Согласование четвертьволновым трансформатором: Согласование антенны с входным сопротивлением Z3=120 Ом с коаксиалом Z1=75 Ом осуществляют куском коаксиала с =95 Ом, длиной L==0.14м, а антенны с входным сопротивлением Z3=154 Ом с коаксиалом с =110 Ом Согласование коаксиальной конической линией Согласование осуществляют неотражающими конусами, длиною в целое число полуволн, путем выполнения проводников в виде соответствующих линейных конусов. Причем чем больше длина согласующего звена(укладывается больше полуволн), лучше будет осуществляться согласование с антенной. 6. Выводы по проделанной работе
спиральный антенна излучение поляризация В процессе выполнения курсового проекта был проведен расчет однозаходной цилиндрической спиральной антенны: геометрические размеры антенны и характеристики излучения антенны. Так как в основе работы спиральной антенны лежит круговая поляризация, то данный тип антенн относят к широкодиапазонным антеннам. Ниже приведены полученные результаты: шаг спирали S = 0.053 м; длина витка спирали = 0.192 м; радиус спирали = 0.03 м; длина спирали Lz = 0.567 м; коэффициент направленного действия D = 30 дБ; входное сопротивление антенны Rвх = 31.7 Ом; число витков спирали N = 6 ; угол намотки витка спирали = 16 градусов; диаметр диска антенны = 0.652 м; рабочая длина волны = 0.175 м. Список использованных источников
Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ.- М.: Связь, 1971. В 2-х частях. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. - М.: Энергия, 1973.- 440 с. Воскресенский Д.И. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов Юрцев О.А.,... Спиральные антенны. - М.: Советское радио, 1974. - 224 с. "Линии передачи сантиметровых волн", ч.I-II. Пер. с англ., под ред. Г.А.Ремеза. Изд-во "Сов.радио", 1961 3.1. В процессе развития радиотехники все больше требуются антенно-фидерные устройства, рассчитанные на работу в очень широком диапазоне частот и притом без всякой перестройки. Частотная независимость таких антенно-фидерных устройств основана на принципе электродинамического подобия.
Этот принцип состоит в том, что основные параметры антенны (ДН и входное сопротивление) остаются неизменными, если изменение длины волны сопровождается прямо пропорциональным изменением линейных размеров активной области антенны. При соблюдении данного условия антенна может быть частотно-независимой в неограниченном диапазоне волн. Однако размеры излучающей структуры конечны и рабочий диапазон волн любой антенны тоже ограничен. Из этой группы антенн рассмотрим плоские арифметические и равноугольные спирали и логарифмически-периодические антенны. Рис.4. 3.2. Арифметическая спираль выполняется в виде плоских металлических лент или щелей в металлическом экране (рис. 4). Уравнение этой спирали в полярных координатах
где - радиус-вектор, отсчитываемый от полюса О; а - коэффициент, характеризующий приращение радиус-вектора на каждую единицу приращения полярного угла; b - начальное значение радиус- вектора. Спираль может быть двухзаходной, четырёхзаходной и т. д. Если спираль двухзаходная, то для ленты (щели) /, показанной штриховыми линиями, угол отсчитывается от нуля, а для ленты //, показанной сплошными линиями, - от 180°, т. е. спираль образована совершенно идентичными лентами, повернутыми на 180° друг относительно друга. Начальные точки ленты / соответствуют радиус-векторам, которые обозначим и. Следовательно, ширина ленты. Описав один оборот, лента занимает положение D, в котором радиус-вектор больше начального на. На этом отрезке ВD размещаются две ленты и два зазора, и если ширина их одинаковая, то, Отсюда определяем коэффициент. 3.3. Питание спирали может быть противофазным, как на рис. 4, или синфазным. В первом случае токи через зажимы А, В, соединяющие ленты с фидером, имеют противоположные фазы. Путь тока в ленте / больше, чем в ленте //, на полвитка. Например, в сечении СD лента // попадает, описав полвитка, а лента / - один виток, в сечение ЕF-соответственно полтора и два витка и т. д. Поскольку длина витка по мере развертывания спирали возрастает, увеличивается расхождение фазы токов в лентах. Обозначив средний диаметр витка находим сдвиг по фазе, соответствующий длине полувитка:
Если к этому прибавить начальный сдвиг, равный, то получим результирующее расхождение по фазе токов в смежных элементах двухпроводной линии За счет второго слагаемого угол отличен от, а в таких условиях электромагнитные волны излучаются, даже если зазор между лентами мал по сравнению с длиной волны. Интенсивно излучает только та часть спирали, в которой токи смежных элементов обеих лент совпадают по фазе: Подставляя, находим, что средний диаметр первого «резонансного» кольца, а периметр этого кольца.Средний диаметр и периметр второго (k=2
), третьего (k=3
) и т. д. «резонансных» колец соответственно в три, пять, ... раз больше. Так как излучение радиоволн спиралью вызывает большое затухание тока от ее начала к концу, то интенсивно излучает только первое резонансное кольцо
, а остальная, внешняя часть спирали как бы «отсекается» {явление отсечки излучающих токов}. 3.4. Активная часть спирали представляет наибольший интерес и по другой причине. Затухание тока, вызванное излучением, настолько велико, что отражение от конца спирали практически отсутствует, т. е. ток в спирали распределяется по закону бегущих волн. К тому же периметр первого резонансного кольца равен длине волны. В таких условиях, как показано в п. 1, происходит осевое излучение с вращающейся поляризацией, которое в данном случае наиболее желательно.
Диаметр спирали должен быть достаточно велик, чтобы на максимальной волне диапазона сохранилось первое «резонансное» кольцо (),а с уменьшением длины волны это кольцо должно сжиматься до тех пор () , пока оно еще может полностью разместиться вокруг узла питания. Тогда в пределах отношение среднего периметра первого «резонансного» кольца к длине волны остается постоянным и тем самым выполняется основное условие сохранения направленных свойств антенны в широком диапазоне волн
Правда, направленность арифметической спирали невелика (60 ... 80°), поскольку в излучении волн участвует, по существу, только та часть спирали, которая имеет средний периметр, равный. Второе условие получения диапазонной антенны-постоянство входного сопротивления - достигается здесь тем, что спираль работает в режиме бегущей волны тока. Это сопротивление активное (100-200 Ом). При питании от коаксиального фидера (Ом) согласование производят ступенчатым или плавным трансформатором. 3.5. Спираль излучает по обе стороны своей оси. Чтобы сделать антенну однонаправленной, ленточную спираль помещают на диэлектрической пластине толщиной, другую сторону которой металлизируют. Если же спираль щелевая, то ее вырезают на стенке металлического короба; тогда противоположная стенка короба играет роль отражающего экрана, а сам короб является резонатором. Чтобы уменьшить его глубину, короб заполняют диэлектриком.
Одна из типовых спиралей имеет диаметр 76 мм, выполнена на пластине из эпоксидного диэлектрика, снабжена резонатором глубиной 26 мм, работает в диапазоне волн 7.5 ... 15 см при, ширине диаграммы направленности 2" = 60... 80° и коэффициенте эллиптичности в направлении максимума главного лепестка менее 3 дБ, т. е. практически поляризацию можно считать круговой. Плоские спиральные антенны удобно изготовлять печатным способом на тонких листах диэлектрика с малыми потерями на высоких частотах.
