СОДЕРЖАНИЕ.

1.Режимы излучения спиральной антенны 2

2.Расчетные соотношения для цилиндрической спиральной антенны 5

3.Плоская арифметическая спиральная антенна 8

4.Равноугольная (логарифмическая) спиральная антенна

11

5.Пример расчета цилиндрической спиральной антенны

14

Список использованной литературы 16

1. Режимы излучения спиральной антенны.
1.1. Спиральная антенна представляет собой свернутый в спираль провод
(1), который питается через коаксиальный фидер (2) (рис. 1, а). Внутренний провод фидера соединяется со спиралью, а внешняя оболочка фидера — с металлическим диском (3). Последний служит рефлектором, а также препятствует проникновению токов с внутренней на наружную поверхность оболочки фидера. Спираль может быть не только цилиндрической, как на рис.
1, а, но и конической (рис. 1, в) и плоской (рис. 7) или выпуклой.
[pic]
Рис.1. Спиральные антенны: а - цилиндрическая; б – развёрнутый виток; в – коническая.

Цилиндрическая спиральная антенна характеризуется следующими геометрическими размерами: радиусом а, шагом s, длиной одного витка[pic], числом витков p, длиной по оси [pic], углом подъема [pic] .
Как видно из схемы антенны и изображения развернутого витка спирали (рис.
1, б), между размерами антенны имеются следующие зависимости:
[pic] ,[pic] ,[pic]
1.2. Спиральные антенны используются на УКВ в режиме бегущих волн с осевым излучением и вращающейся поляризацией. Такой режим требует определенных соотношений между размерами антенны и длиной волны. Выявим эти соотношения.
Ток высокой частоты, проходя но спирали, вызывает излучение электромагнитных волн. Достаточно десяти-одиннадцати витков, чтобы вся подводимая к антенне энергия излучалась в пространство и не происходило отражения волн от конца спирали. Такая бегущая волна тока распространяется вдоль провода спирали с фазовой скоростью [pic], т. е., с замедлением
[pic].

[pic]

Рис.2.Виток спиральной антенны
Волна проходит один виток (от сечения 1 к сечению5 на рис. 2) за время[pic].Электромагнитные волны, возбуждаемые током спирали, распространяются в воздухе со скоростью с и длиной волны[pic].
Если бы все витки сливались, то достаточно было установить время[pic], равным периоду колебаний[pic], т. е.[pic], чтобы поля любой пары противоположных элементов (1-3,2-4) спирали совпадали по фазе и полностью складывались в точках оси 0'0", которая равноудалена от контура витка. Это объясняется тем, что в пределах одного витка амплитуды тока практически одинаковая, а различие в фазе на угол [pic]в диаметрально противоположных сечениях витка (1-3, 2-4) компенсируется противоположным направлением токов в них.
В случае спирали цилиндрической формы с шагом s условие максимального осевого излучения формулируется несколько иначе: за время прохождения тока по витку [pic]электромагнитная волна должна пройти в воздухе расстояние большее, чем длина волны, на шаг s:
[pic]; соответственно

[pic] (1)
При таком коэффициенте замедления токи в любых двух сечениях, расположенных под углом 90° (например, в 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4, 4 и 5), вызывают на оси О'О" поля, которые сдвинуты по фазе на 90°, и волны, которые поляризованы под углом 90°. В результате сложения этих линейно- поляризованных волн получаются волны с круговой поляризацией.
1.3. Опытным путем установлено, что с увеличением длины волны [pic] фазовая скорость[pic] уменьшается, а коэффициент замедления
[pic]увеличивается во столько же раз. Благодаря этому условие осевого излучения (1) поддерживается в широком диапазоне волн:
[pic](рис. 3, а).

[pic]

Рис.3.ДН цилиндрической спиральной антенны при различной длине витка спирали

При длине витка [pic] набег фазы в 360° происходит при прохождении волной тока нескольких витков спирали. При этом антенна уподобляется электрически малой рамке из N витков провода, которая имеет ДН в виде восьмерки с максимумами излучения в плоскости, перпендикулярной оси спирали (рис. 3, б). Если[pic], то на одном витке спирали укладывается две, три и более волн, а это приводит к наклонному излучению и конусной форме пространственной ДН (рис. 3, в).
1.4. Наиболее выгодный режим — осевого излучения, который, как известно, требует длины витка [pic]и обеспечивает полосу пропускания [pic] . Эта полоса может быть значительно расширена путем перехода к конической антенне
(рис, 1, б), в которой участок (2) со средней длиной витка [pic] удовлетворяет условию[pic], а крайние участки (1, 3) с большими ([pic]) и меньшими ([pic]) длинами витков удовлетворяют аналогичным условиям, но для максимальной [pic]и минимальной [pic]длин волн рабочего диапазона:
[pic],[pic]. В зависимости от рабочей длины волны [pic]интенсивно излучает только одна из зон спирали и только этой активной зоной определяется острота ДН.
2. Расчетные соотношения для цилиндрической спиральной антенны.
2.1. Чтобы получить максимальный КНД, нужно установить оптимальный коэффициент замедления[pic], при котором в направлении оси спирали 0'0"
(рис. 2) поля первого и последнего витков находятся в противофазе. Иначе говоря, необходимо дополнить условие (1) задержкой волны тока спирали на полупериод Т/2, а в каждом витке ее — на [pic]:

[pic].
Отсюда находим оптимальный коэффициент замедления вдоль провода спирали:

[pic] , (2)
При этом, правда, получается эллиптическая поляризация, но так как[pic], то коэффициент[pic] весьма незначительно отличается от [pic]и полученную поляризацию можно считать круговой. Полагая [pic]= 1,2 ... 1,3, определим из выражения (2) угол подъема спирали, соответствующий оптимальным условиям работы антенны
[pic]:

[pic]
Отсюда

[pic], (3)
Длина спирали [pic]подбирается в соответствии с оптимальным коэффициентом замедления вдоль оси спирали[pic]. При [pic]=1,2…1,3 имеем[pic], что соответствует углу подъема спирали [pic]=12 ... 16° и числу витков р = 5
... 14.
2.2. Рассматривая каждый виток спирали как элементарный излучатель с фазовым центром на оси 0'0", определяем функцию направленности антенны
[pic] как произведение функции направленности одного витка [pic] на множитель решетки из р элементов[pic]. Так как р велико, а направленность одного витка мала, то принимаем[pic]. В результате имеем
[pic](4)
Угол [pic], как и прежде, отсчитывается от перпендикуляра к оси линейной решетки.
2.3. Для спиральных антенн оптимальных размеров опытным путем установлены следующие формулы: ширина диаграммы направленности

[pic], (5) коэффициент направленного действия

[pic] , (6) входное сопротивление

[pic], (7)
2.4. Итак, цилиндрические и конические спиральные антенны широкополосные с осевым излучением волн круговой поляризации. Направленность цилиндрических спиралей средняя, а конических — ниже средней (не вся спираль участвует в излучении на данной частоте), но последние обладают большей диапазонностью. Применяются и те и другие как самостоятельные антенны в диапазонах дециметровых а метровых волн, а также как облучатели антенн сантиметровых волн.
3. Плоская арифметическая спиральная антенна.
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 [pic] 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.

[pic]