Спиральные антенны

Спиральные антенны особенно востребованы в спутниковых системах связи, где используются ЭМВ эллиптической и круговой поляризаций.

Спиральная антенна представляет собой металлическую спираль из нескольких витков над плоским сплошным или сетчатым экраном. Со стороны экрана спираль подключается к центральному проводнику коаксиальной линии. Второй конец спирали обычно остается свободным. Экран выполняет функции переходного устройства, устраняя антенный эффект фидера и уменьшая обратное излучение.

Распространение получила однозаходная спиральная антенна, показанная на рисунке 2.23.

 

Рисунок 2.23 - Спиральная антенна

 

В режиме передачи, при диаметре спирали порядка спираль создает ЭМП, излучаемое вдоль оси по направлению движения волны тока. Режим осевого излучения является основным. При малом диаметре спирали направление максимального излучения становится перпендикулярно оси. Диаг8рамма направленности спирали с диаметром раздваивается относительно оси.

 

 

Рисунок 2.24 - Зависимость ДН спиральной антенны от диаметра спирали

 

 

В режиме осевого излучения длина витка спирали примерно равна средней длине волны рабочего диапазона Вдоль витка укладываются две противофазные полуволны тока, создающие вертикально поляризованное поле. При прохождении волны тока по спирали поляризация поля становится вращающейся - эллиптической, близкой к круговой поляризации. Фазовая скорость волны тока вдоль провода оказывается несколько меньше скорости света, за счет чего следующий соседний виток имеет несколько запаздывающую фазу тока. Это позволяет рассматривать спиральную антенну как решетку бегущей волны.

Простая конструкция и диапазонные свойства спиральной антенны объясняют ее широкое применение в условиях, где требуется работа с круговой поляризацией и относительно невысокими направленными свойствами антенны. Для увеличения направленных свойств спиральные антенны объединяются в синфазные решетки. Кроме цилиндрических находят применение и конические спиральные антенны. Конические спирали обладают более широким диапазоном рабочих частот.

Антенны типа «волновой канал».

Преимущество петлевого вибратора по сравнению с полуволновым состоит в том, что, изменяя его конструкцию, можно менять в широких пределах его входное сопротивление, согласовывая тем самым излучающий элемент с фидером. Обычно Ксв петлевого вибратора меньше 2. Петлевой вибратор является основным активным вибратором в широко используемых приемных антеннах типа «волновой канал» показанной на рисунке 2.21.

 

1 - директоры; 2 - петлевой вибратор; 3 - рефлектор

 

Рисунок 2.21 – Антенна типа «волновой канал»

 

Такая антенна состоит из нескольких вибраторов, укрепленных на общем (обычно металлическом) стержне, т.е. представляет собой пассивную антенную решетку (АР). В антеннах разного назначения число элементов может достигать нескольких десятков. Они могут располагаться горизонтально или вертикально по отношению к земной поверхности. Сложная антенная система состоит из нескольких антенн типа «волновой канал», тем или иным способом расположенных в пространстве.

Обычная антенна имеет активный вибратор длиной длина рефлектора расстояние между рефлектором и активным вибратором примерно Расстояние между активным вибратором и ближайшим к нему директором то, что приведенные конструктивные размеры указаны приблизительно (в некотором диапазоне), объясняется их зависимостью от диаметра проводников, из которых составлена АР, проводимости материала и т.д.

Принцип действия.

Пусть в активном вибраторе генератор создает некоторый ток I₁ и U₁. вибратор представляет собой ЛП, разомкнутую на конце, а значит, в нем устанавливается режим стоячей волны, когда напряжение U₁ отстает от тока I₁ по фазе на угол, равный примерно 90^о. На концах вибратора ток I₁ равен нулю, а напряжение U₁ максимально. В центре проводника нормальная составляющая электрического поля E_n = 0, что позволяет укреплять вибраторы на несущем электрическом стержне, который практически не влияет на работу АР. Ток I₁ создает вокруг активного вибратора электрическое поле Е₁, совпадающее по фазе с напряжением U₁.

Общее поле АР должно формироваться так, чтобы вектор Пойтинга был направлен вдоль оси антенны, т.е. вдоль оси z. Для этого необходимо так подобрать длину рефлектора , чтобы его реактивное сопротивление (где волновое сопротивление линии) обеспечивало равенство токов I₁ и I_p. Тогда их общее поле в обратном направлении будет слабым, а в прямом усиленном в результате сложения равнофазных (синфазных) полей от токов в директорах. Реактивное сопротивление рефлектора имеет индуктивный характер, а реактивное сопротивление директоров Х_д - емкостной.

Одиночная АР типа «волновой канал» в целом узкополосная, при числе директоров не более 10 Для оценки ДН можно воспользоваться выражением

(2.28)

где замедление (укорочение длины волны ) представляет собой отношение длина волны в линии передачи. Для антенн бегущей волны оптимальное укорочение

а оптимальная длина

где число вибраторов в АР, расстояние между директорами.

КНД может быть определен по формуле