Спиральная антенна

Спиральные антенны применяются в диапазоне сантиметровых, дециметровых и метровых волн, когда на линиях радиосвязи возникает необходимость использования радиоволн с вращающейся поляриза-
цией. Кроме того, трансформация линейно поляризованной волны в волну с вращающейся поляризацией может происходить естественным путем при распространении волны в магнитоактивной среде, примером которой служит ионосфера. Влияние постоянного магнитного поля Земли приводит к тому, что в зависимости от ориентации траектории волны и силовых линий магнитного поля Земли линейно поляризован-ная волна превращается в волну с круговой (или эллиптической) поляризацией либо возникает вращение плоскости поляризации линейно поляризованной волны (эффект Фарадея).

В любом из этих случаев возникают поляризационные замирания сигнала при приеме на линейную антенну. Поэтому в качестве приемных антенн для борьбы с поляризационными замираниями применяют спиральные антенны.

Спиральные антенны могут быть цилиндрической или конической формы, широко применяются также плоские спирали (рис. 14.12).

Рассмотрим вначале принцип действия цилиндрической спирали (рис. 14.12, а)

а б в

Рис. 14.12. Спиральные антенны:

а – цилиндрическая; б – коническая; в – плоская

Одним концом такая спираль присоединяется к центральному проводнику коаксиальной линии, второй конец спирали остается свободным. Внешний проводник коаксиальной линии соединен с плоским экраном круглой или прямоугольной формы. Экран препятствует проникновению тока, текущего по внутренней поверхности внешнего проводника коаксиальной линии, на его внешнюю поверхность. Тем самым подавляется антенный эффект коаксиального фидера. Кроме того, экран играет роль рефлектора, уменьшая обратное излучение.

Витки спирали возбуждаются последовательно бегущей волной тока. Поэтому спиральная антенна относится к классу решеток бегущей волны, где элементом решетки служит один виток спирали.

В зависимости от диаметра витка спи-рали максимум излучения направлен ли-
бо вдоль оси спирали, либо по нормали
к оси, либо под углом к оси (рис. 14.13). Волна, распространяющаяся вдоль спира-

ли, имеет замедленную фазовую скорость (V _ф < с). Поэтому длина распространяющейся волны l_сп < l₀, где . В режиме осевого излу-

чения длина витка спирали примерно равна длине волны. При этом условии вдоль витка укладывается две противофазные полуволны тока, образуя горизонтально поляризованное поле (рис. 14.14). По мере продвижения волны тока по витку вектор напряженности поля Е поворачивается с частотой волны w, за период колебания высокой частоты совершая полный круг. Излучаемая волна приобретает вращающуюся поляризацию.

Условием круговой поляризации спиральной антенны является синфазное возбуждение витков спирали. Разность фаз полей, создаваемых соседними витками, складывается из разности фаз по питанию (возбуждению витков) и пространственной разности фаз из-за расстояния между витками (шага спирали). В осевом направлении

, (14.42)

где x – коэффициент замедления ; d – шаг спирали.

Из (14.42) следует, что оптимальная длина витка для получения круговой поляризации равна

. (14.43)

Как следует из теории решеток бегущей волны, максимальный КНД решетки соответствует условию, когда разность фаз полей, создаваемых крайними элементами решетки, равняется p. Тогда разность фаз полей, создаваемых соседними элементами решетки, равна , где n – число элементов решетки.

Таким образом, максимальный КНД соответствует условию

,

откуда

. (14.44)

Из (14.43) и (14.44) следует, что условие круговой поляризации и максимального КНД не совпадают. В качестве компромисса обычно длину витка l выбирают в пределах l» (0,7...0,8)l.

С уменьшением длины волны коэффициент замедления уменьшается, при увеличении – возрастает. Поэтому условие (14.44), а следовательно, и направленные свойства спиральной антенны сохраняются практически неизменными в сравнительно широкой полосе частот (примерно от 0,7l₀ до 1,4l₀).

По мере продвижения волны вдоль спирали в результате излучения поля амплитуда тока в витках уменьшается. Поэтому основная часть энергии излучается несколькими первыми витками, остальные витки заметного участия в излучении не принимают. Обычно число витков в спирали колеблется от 3 до 10.

Конические спирали работают в более широкой полосе частот, чем цилиндрические. Подобно логопериодическим антеннам, в конических спиральных антеннах в излучении участвует не вся антенна, а только ее активная область, перемещающаяся по антенне при изменении рабочей частоты. При этом направленные свойства антенны сохраняются практически неизменными во всей рабочей полосе частот.

Угол захода a спиралей обычно выбирается в пределах 12...15°. Соответственно шаг спирали

d = (0,15...0,3)l. (14.45)

Входное сопротивление спирали активное и равняется

. (14.46)

Коэффициент направленного действия спиральной антенны определяется по формуле

, (14.47)

где n – число витков спирали.

Диаграмма направленности спиральной антенны определяется по формуле для решетки бегущей волны (14.25):

,

где F ₁(j) = cosj – диаграмма направленности одного витка.

Широкое применение в технике радиосвязи получили плоские спиральные антенны. На рис. 14.15 показана двухзаходная плоская спираль, ветви (плечи) которой питаются в противофазе.

Спираль может выполняться из проводов, либо по методу печатной технологии.

При противофазном возбуждении плеч в точке А и В на расстоянии от центра спирали разность фаз токов в элементах 1 и 2 соседних витков спирали равна

, (14.48)

где – разность расстояний от центра спирали (вдоль плеч) до элементов 1 и 2.

Нетрудно убедиться в том, что равняется половине длины окружности с радиусом r ₀, т.е. . При

, (4.19)

где n = 1,2,...; при любых l.

Из (14.49) непосредственно следует, что соседние витки возбуждаются в фазе в режиме бегущей волны и формируют поле излучения с круговой поляризацией в направлении нормали к плоскости витков. Нижняя рабочая частота определяется диаметром антенны, а верхняя частота – размером в точках питания. Таким образом, рабочая (активная область) антенны в зависимости от частоты перемещается по антенне, в результате чего характеристики антенны остаются неизменными в широкой полосе частот. Диаграмма направленности антенны по форме близка к ДН полуволнового симметричного вибратора. Для формирования одностороннего излучения применяется апериодический рефлектор.

Спиральные антенны, имея слабовыраженные направленные свойства, преимущественно применяются в качестве облучателей апертурных антенн и как элемент антенных решеток.