Описание конструкции антенны и АФР на ее раскрыве

 

Основным режимом работы антенны является режим осевого излучения, при котором формируется диаграмма направленности (далее ДН) вдоль оси спирали.

Спиральная антенна состоит из следующих составных частей:

 

Рисунок 3.1 - Общий вид антенны

 

На рисунке 3.1 показано: 1 - спираль из медной трубки, 2 - диэлектрический каркас, 3 - металлический сетчатый экран, 4 - согласующее устройство, 5 - питающий фидер.

В данном случае для изготовления антенны лучше взять медную трубку, для облегчения конструкции, т.к. токи высокой частоты текут лишь по поверхности металла.

В качестве каркаса можно применить твёрдый пенопласт. При этом расчетные соотношения останутся неизменными т.к. пенопласт однороден в азимутальном и продольном направлениях, а его диэлектрическая проницаемость практически равна диэлектрической проницаемости воздуха.

Для уменьшения заднего излучения мы применяем экран, который в ДМВ диапазоне делается из металлической сетки [1].

Расчет характеристик и параметров спиральной антенны, естественно не может быть сделан с учетом всех её конструктивных элементов и особенностей распределения в ней тока. Поэтому применяется упрощенная модель спирали при условии, что осевая длина больше 0.5l, а отражение волны тока от свободного конца спирали невелико (условия выполняются при работе антенны в режиме бегущей волны). Исследования показывают, что в этом случае реальная спиральная антенна может быть заменена отрезком регулярной спирали с равномерным по амплитуде и линейным по фазе распределением тока вдоль оси захода (рисунок 3.2). [1]:

 

Рисунок 3.2 – АФР антенны

Рисунок 3.3 – Развертка спирали

 

где l= c/f, где c - скорость света, f - рабочая частота, n - число витков спирали, a - угол подъёма витка, R - радиус спирали, S - шаг витка спирали, L - длина витка спирали, l – длина всейспирали.

Таким образом, расчётные соотношения для цилиндрической спирали:

sin(a) = S/L

l = nS

получены в соответствии с рисунком 3.3.

 

, тогда

 

Зная требуемый коэффициент направленного действия, можно рассчитать длину антенны

 

 

Шаг спирали рассчитывается по формуле

 

 

Число витков спирали рассчитываем через длину и шаг спирали

 

 

Длину витка спирали, при которой излучение максимально вдоль оси нужно выбрать из интервала

[6]

Радиус спирали находим из соотношения (27)

Угол подъёма спирали находим из (28)

 

 

Диаметр провода спирали берется порядка (0.03...0.05)l, причем, чем толще провод, тем больше уровень боковых лепестков и тем меньше входное сопротивление [5]. С увеличением диаметра также сближаются диаграммы направленности по компонентам q и j. Для облегчения конструкции возьмём меньший диаметр 0.03l.

Для уменьшения уровня обратного излучения спираль применяется совместно с экраном обычно круглой формы, причем в диапазоне ДМВ он изготавливается из металлической сетки. Размер ячейки сетки делается меньше одной десятой длины волны, а расстояние от экрана до первого витка спирали делают 0.25S. Экран следует делать из проволоки толщиной не менее 3 мм, т.к. он является несущим для фидера спирали и какого-либо опорно-поворотного устройства.

Эксперимент показывает, что характеристики антенны наиболее стабильны в диапазоне частот при , а входное сопротивление практически не меняется. Поэтому, примем [1].

На характеристики излучения антенны оказывает влияние форма и размеры переходного участка от внутреннего проводника фидера к проводнику спирали. Этот элемент обтекается током большой амплитуды и не имеет осевой диаграммы направленности. Уменьшить его влияние можно уменьшением его длины.

 

3. Расчет геометрических и электрических характеристик антенны

 

3.1 Расчёт геометрических параметров антенны

 

В ходе выполнения данной работы для проведения аналитических расчетов и построения графиков зависимостей была использована программа MathCAD.

Зная среднюю рабочую частоту (f=910 МГц), определим среднюю длину волны 0.33 м. Диапазон рабочих частот – 100 МГц, что составляет 11% от несущей частоты.

 

 

Для определения ширины ДН, при которой будет достигаться требуемый КНД, необходимо осуществить расчёты.

 

 

Так как 2θ Е 0.5° = 2θ Н 0.5°=45°, то КНД будет равен:

Цилиндрическая регулярная однозаходная спиральная антенна имеет коэффициент перекрытия по частоте 1.8 в режиме осевого излучения и излучает поле круговой поляризации, что вполне удовлетворяет техническим требованиям. Поэтому мы выберем антенну вышеописанной конфигурации.

Зная коэффициент направленного действия, можно рассчитать длину антенны.

 

 

По известной длине волны рассчитывается шаг спирали.

Число витков рассчитываем через длину и шаг спирали.

Возьмем 6 витков, однако при этом необходимо пересчитать длину спирали, чтобы не изменился угол намотки.

Длину витка спирали нужно выбирать из интервала (0.75...1.3), например возьмем L= радиус витка спирали находим из следующего соотношения:

Угол подъема спирали находим по развертке витка спирали.

Диаметр трубки спирали возьмем 0.03*=0.01м=1 см. Расстояние от экрана до первого витка спирали выберем 0.25*S=0.018м=1.8 см. Диаметр экрана выберем 0.7*=0.231м.

 

3.2 Электрический расчет антенны

 

Для расчета диаграмм направленности на средней рабочей частоте по компонентам подставим найденные геометрические размеры антенны в формулы (5). Для определения КНД антенны в рабочем диапазоне частот воспользуемся соотношением (16).

Чтобы определить входное сопротивление воспользуемся формулой Крауса, которая в диапазоне ДМВ дает приемлемые результаты.

 

 

Как видно из расчета, входное сопротивление антенны отличается от волнового сопротивления выбранного фидера. Из этого следует необходимость применения согласующего устройства, а именно коаксиальный трансформатор сопротивлений. Поскольку в качестве фидера был выбран РК-2-11 с диаметром центральной жилы – 0.67 мм, то можно определить размеры коаксиального трансформатора (рисунок 2.4).

Длину конусной части берем равной /4=0.0825 м для того, чтобы переход работал как четретьволновой трансформатор для согласования линии с разным волновым сопротивлением.

Волновое сопротивление конусной части линии должно быть:

По известному волновому сопротивлению можно определить соотношение диаметров элементов коаксиального тракта по формуле 26. Для коаксиального волновода с воздушным заполнением и Z=100 Ом отношение d/D=0.17, для Z=140 Ом - 0.096, для Z=50 Ом - 0.435.

 

 

Для того чтобы было удобно соединять трубку спирали и центральную жилу выходной части согласующего устройства возьмем последнюю диаметром меньше диаметра трубки например 3 мм.

 

 

Так как антенна согласована на средней рабочей частоте, то КСВ при этих условиях будет минимален. При изменении частоты КСВ будет увеличиваться. Для расчета КСВ в диапазоне частот используем формулу 24. Зависимость КСВ от частоты приведена на рисунке 4.1.

Зная геометрические размеры антенны, можно рассчитать ее электрические параметры. Формулы для расчета диаграмм направленности получаются для компонент Еq и Еf поля волны Т1. Эти выражения приводятся в литературе. Приближенно можно считать, что диаграммы направленности не зависят от угла f, т.е. являются телами вращения, хотя небольшая зависимость все же имеется. В итоге ДН для целого числа витков спирали определяются нижеприведенными выражениями.

Рисунок 4.1 – КСВ антенны в полосе частот

 

 

Диаграммы направленности имеют вид:

 

Рисунок 4.2 – ДН антенны на средней частоте диапазона в полярных координатах

Рисунок 4.3 - ДН антенны на средней частоте диапазона в прямоугольных координатах (плоскость Е)

 

Рисунок 4.4 – ДН антенны на средней частоте диапазона в прямоугольных координатах (плоскость Н)

Рисунок 4.5 – ДН антенны на нижней частоте диапазона в полярных координатах

 

Рисунок 4.6 – ДН антенны на верхней частоте диапазона в полярных координатах

Зависимость КНД от длины волны в пределах рабочего диапазона имеет вид:

 

Рисунок 4.7 – Зависимость КНД от длины волны