Введение. Теоретические сведения

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) (рис. 2.1). 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. В данной работе исследуются две цилиндрические СА с экраном, оптимизированные под диапазон частот 1.7–2.7 ГГц (НЧ спиральная антенна) и 2.5–4 ГГц (ВЧ антенна). Экспериментальные частотные зависимости коэффициента отражения в тракте питания этих антенн приведены на рис. 2.2.

Рис. 2.2

На рис. 2.3 показаны качественно диаграммы направленности СА в полосе частот. Основным рабочим диапазоном СА считается интервал 0,7 < < 1,3, в котором она имеет осевое излучение и круговую поляризацию ( – волновое число, – радиус). При << 1 ДН спиральной антенны близка по форме к ДН диполя Герца, а при >> 1 она имеет воронкообразный характер.

Геометрия цилиндрической СА приведена на рис. 2.4. Здесь введены следующие обозначения: – диаметр СА; – шаг витка спирали; – длина витка спирали; – угол подъема витка спирали, град. (обычно выбирают ); – число витков.

Рис. 2.3

Рис. 2.4

Рис. 2.5 поясняет механизм формирования поля круговой поляризации в режиме осевого излучения СА. При длине витка СА, близкому к длине волны, в антенне устанавливается режим бегущей волны тока и в каждый момент времени одному витку СА можно поставить в соответствие два одина-

Рис. 2.5

ковых синфазных изогнутых диполя. В частности, на рис. 2.5, а, б, в последовательно, в трех разных моментах времени виток эквивалентен двум изогнутым диполям, принимающим различные угловые положения в плоскости витка. Результирующий вектор напряженности излученного электрического поля вращается с постоянной длиной.

ДН спиральной антенны как ДН антенной решетки, состоящей из кольцевых плоских излучателей. Для приближенного расчета диаграммы направленности СА ее удобно рассматривать как систему, состоящую из N одинаковых элементов, расположенных вдоль продольной оси z с шагом d. Такая система носит название одномерной (линейной) антенной решетки. Ее элементами в данном случае являются неплоские витки спирали. Они возбуждены со сдвигом фаз от витка к витку . В соответствии с теоремой перемножения диаграмм направленности ДН такой антенной решетки представляет собой произведение множителя решетки (системного множителя) и характеристики направленности ее элемента – в данном случае витка спирали :

. (2.1)

Системный множитель. В общем случае, когда в решетке скачок фазы между соседними элементами имеет произвольное значение, модуль системного множителя, входящего в (2.1), представляется выражением

. (2.2)

В нашем случае и входящее в (2.2) отношение равно единице, с учетом этого:

.

Диаграммы направленности витка спирали. Характеристика направленности такого витка известна из теории антенн, она имеет две составляющие – по ортам сферической системы координат и [4], [5] (рис. 2.6):

, (2.3)

где

(2.4)

, (2.5)

– функция Бесселя n-го порядка, – радиус витка спирали. В формулах (2.4), (2.5) учтено, что осевое направление в данном лабораторном макете соответствует углу равному 90 градусов. В выражении (2.3) знак перед вторым слагаемым зависит от того, в какую сторону выполнена намотка спирали. Как видно из (2.3), q-я и j-я составляющие характеристики направленности сдвинуты на 90^о по фазе. Следовательно, вектор является эллиптически поляризованным, как и векторы напряженности электрического и магнитного полей. В направлении нормали к плоскости витка (осевом), т. е. при , таким образом, в этом направлении поле излучения имеет круговую поляризацию.

КНД и ширина главного лепестка диаграммы направленности. Для приближенного расчета параметров ДН спиральных антенн полезны следующие полуэмпирические формулы [1], [2]. Ширина главного лепестка ДН по уровню половинной мощности (град.):

(2.6)

Коэффициент направленного действия цилиндрической СА

. (2.7)