Компактная широкополосная антенна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОТЧЕТ

Научно-исследовательская работа

Компактная широкополосная антенна

Содержание

Введение

1. Виды спиральных антенн

2. Принцип, режимы работы

3. Геометрические параметры спиральной антенны

4. Соединение антенны с радиостанцией

5. Применение

Заключение

Список литературы

Введение

Для построения многих современных систем радиосвязи, радиолокации и радиомониторинга необходимы антенны, обладающие широкой полосой рабочих частот. Такие антенны называются широкополосными.

Широкополосные антенны применяется для излучения или приёма широкополосных сигналов, позволяют без перестройки работать при переходе с одной частоты на другую. Обычно к широкополосным антеннам относят антенны, сохраняющие характеристики в полосе частот свыше 10 %. Если отношение максимальной рабочей частоты к минимальной (перекрытие частот) составляет 5:1 и более, такие антенны называют сверхширокополосными или частотно-независимыми.

Сравнительно широкополосны антенны: диэлектрические стержневые антенны, цилиндрические и конические спиральные антенны, рупорные антенны.

В текущей работе будут рассмотрены спиральные антенны. Широкое применение они нашли для решения проблемы установления связи, возникающей из-за поляризации сигнала. К примеру, при связи со спутником объекта, меняющего направление своего движения. Проблему эту можно решить, используя антенны с вращающейся поляризацией, к которым и относятся спиральные антенны.

Спиральные антенны относятся к классу антенн бегущей волны. Они представляют собой металлическую спираль, питаемую коаксиальной линией. Спирали делаются из круглых проводов постоянного поперечного сечения, из металлических полосок постоянной и переменной ширины, кроме того, встречаются спирали в виде вырезок (щелей) в металлическом листе соответствующей формы поверхности.

1. Виды спиральных антенн

По конструкции спиральные антенны подразделяют на цилиндрические (рисунок 1а), конические (рисунок 1б) и плоские (рисунок 1в).

Рисунок 1 - Виды спиральных антенн по конструкции.

Согласно рисунку 2, по числу ветвей (заходов) и способу их намотки спиральные антенны подразделяются на однозаходные (рисунок 2а) и многозаходные.

Многозаходные могут быть с односторонней (рисунок 2б) и встречной (рисунок 2в) намотками.

Рисунок 2 - Виды спиральных антенн по количеству ветвей и способу намотки.

Работа однозаходных спиральных антенн возможна благодаря их дисперсионным свойствам, вследствие которых в широком диапазоне частот фазовая скорость поля вдоль оси спирали близка к скорости света, отражение от свободного конца спирали мало, длина волны в проводе спирали примерно равна длине витка.

В многозаходных спиральных антеннах рабочий диапазон дополнительно расширяется вследствие подавления в них ближайших низших и высших типов волн, искажающих диаграмму направленности основного типа.

Спиральные антенны с односторонней намоткой излучают поле с эллиптической, близкой к круговой, поляризацией. Направление вращения вектора поля соответствует направлению намотки спирали. Для получения линейной и управляемой поляризации используют спиральные антенны с двусторонней (встречной) намоткой.

Так же существуют эквиугольные или частотно-независимые антенны, которые бывают конические и плоские, изображённые на рисунках 3а и 3б соответственно:

Рисунок 3 - Эквиугольные спиральные антенны.

широкополосный спиральный антенна

Форма частотно-независимых (плоских и конических эквиугольных) спиральных антенн определяется только углами. Каждой длине волны в пределах рабочего диапазона соответствует излучающий участок неизменной формы и постоянных электрических размеров. Поэтому ширина диаграммы направленности и входного сопротивления приближенно остаются постоянными в весьма широких диапазонах частот.

В ряде случаев для увеличения жёсткости конструкции намотка спирали осуществляется на диэлектрическом каркасе, что необходимо для класса бортовых антенн с учётом их специфики, что также приводит к дополнительному замедлению фазовой скорости волны в антенне.

Отсутствие или наличие дополнительного замедления фазовой скорости и способ его реализации позволяют разделить спиральные антенны на импедансные спиральные антенны, сделанные из провода, обладающего собственным замедлением (рисунок 4а), спирально-диэлектрические, состоящие из гладкого провода в однородном диэлектрике (воздухе) (рисунки 4б, в) и импедансные спирально-диэлектрические антенны, сделанные из провода с собственным замедлением и с диэлектриком (рисунок 4г).

Рисунок 4 - Спиральные антенны с дополнительным замедлением.

2. Принцип, режимы работы

Спиральную антенну используют в двух режимах, прямого и кругового излучения.

Рассмотрим случай, когда в цилиндрической спиральной антенне длина витка примерно равна одной длине волны. Представим, что мы подаем на этот виток синусоидальный сигнал, и в начале витка у нас точка максимального потенциала. Соответственно, через половину длины волны, то есть на противоположном конце витка у нас точка минимального потенциала.

Рисунок 5 - Точки минимума и максимума потенциала в пределах одного витка.

Сигнал продолжает распространяться по полотну. Следовательно, точки минимума и максимума потенциала сдвигаются, что приводит к вращению вектора электрического поля между этими точками.

Мы рассмотрели, что происходит с одним витком. А теперь представим, что у нас много витков, длина каждого из которых равна длине волны.

В этом случае точки максимумов и минимумов потенциала во всех витках двигаются синхронно.

Рисунок 6 - Точки минимума и максимума потенциала в пределах спирали

Электрическое поле от первого витка дойдет до второго. В этом случае поле первого и второго витка складываются. Дальше суммарное поле двух витков достигает третьего витка, где складывается с излучением в этой точке. Пройдя вдоль всех витков, электрическое поле значительно усилится в осевом направлении. Это верно для диапазона длин волн, при которых соблюдается условие: 0,75л < l < 1,3л.

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 х_ф < c, т. е., с замедлением k_з, вычисляемым по формуле

k_з = с/х_ф, (1)

где с - скорость света в вакууме, м/с²;

х_ф - фазовая скорость волны, м/с².

Спиральные антенны позволяют формировать осевые диаграммы направленности с шириной 2и_0,5?(25…180)⁰, конусные с шириной 2и_0,5?(40…60)⁰ и тороидальные (при круговом излучении) с шириной 2и_0,5?(45…90)⁰. Поляризация излучения может быть эллиптической, близкой к круговой, управляемой, линейной.

Опытным путём был получен коэффициент направленного действия антенны D₀ в осевом режиме работы:

, (2)

где l_c - длина одного витка, м;

l_A - длина спирали, м;

л - длинна волны, м.

Увеличение длины витка спирали относительно длины волны до состояния l_c = 1,5л и выше приводит к наклонному излучению и конусной диаграмме направленности.

Уменьшение длины витка спирали ведёт к переходу антенны к круговому излучению.

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 диаграмму направленности в виде восьмерки с максимумами излучения в плоскости, перпендикулярной оси спирали.

В данном случае поляризация сигнала будет горизонтальной. И принимать такой сигнал можно при помощи обыкновенного горизонтального диполя.

Рисунок 7 - Диаграммы направленности в зависимости от длины антенны в двух вариантах

Рисунок 8 - Наглядные трёхмерные диаграммы направленности спиральной антенны в осевом(слева) и круговом(справа) режимах работы

Есть ещё один режим работы - обратного излучения. При нём волна тока, пробегая виток, запаздывает менее, чем на 2р, на следующем витке имеет опережающую фазу. Витки, более далекие от точки питания, возбуждаются током еще более опережающей фазы по сравнению с витками, близкими к точке питания, и антенна имеет главный максимум вдоль оси спирали в сторону точки питания (т. е. в сторону, обратную направлению распространения прямой бегущей волны). Этот режим работы сохраняется на промежуточном диапазоне частот, при котором l_с ещё слишком мал для осевого, но слишком велик для кругового режима работы.

3. Геометрические параметры спиральной антенны

Первый параметр, длина витка спирали, был рассмотрен в прошлом пункте. Однако это не единственный параметр этой антенны. Спиральная антенна характеризуется следующими геометрическими размерами: радиусом а, шагом s, длиной одного витка l_c, числом витков p, длиной по оси l_А, углом подъема б.

Между размерами антенны имеются следующие зависимости:

, (3)

, (4)

(5)

Рисунок 9 - геометрические параметры спиральной антенны.

Параметры можно найти, опираясь на два условия: условие максимального осевого излучения и условие максимального коэффициента направленного действия

Волна проходит один виток за время, которое можно найти по формуле:

t₁=l_c/х_ф. (6)

Электромагнитные волны, возбуждаемые током спирали, распространяются в воздухе со скоростью с и длиной волны л.

Если бы все витки сливались, то достаточно было установить время t₁, равным периоду колебаний T, т. е.

; (7)

Поля любой пары противоположных частей витка спирали совпадают по фазе и полностью складываются в центре плоскости витка.

В случае спирали цилиндрической формы с шагом s условие максимального осевого излучения формулируется несколько иначе: за время прохождения тока по витку t₁=l_c / х_ф электромагнитная волна должна пройти в воздухе расстояние большее, чем длина волны на шаг s:

; (8)

соответственно:

; (9)

Чтобы получить максимальный коэффициент направленного действия, нужно установить оптимальный коэффициент замедления k_ЗОПТ, при котором в направлении оси спирали поля первого и последнего витков находятся в противофазе. Иначе говоря, необходимо дополнить условие с прошлой страницы задержкой волны тока спирали на полупериод Т/2, а в каждом витке на Т/2 = л/2рс:

; (10)

Отсюда находим оптимальный коэффициент замедления вдоль провода спирали:

; (11)

коэффициент k_ЗОПТ весьма незначительно отличается от k_З`, так что полученную поляризацию можно считать круговой. Учитывая, что:

; (12)

получаем:

; (13)

Отсюда:

; (14)

Длина спирали l_A подбирается в соответствии с оптимальным коэффициентом замедления вдоль оси спирали k_ЗОПТ.

4. Соединение антенны с радиостанцией

Антенну подсоединяют коаксиальным кабелем. Внутренний провод фидера подсоединяют к спирали, внешняя оболочка - к металлическому диску, играющему роль рефлектора.

Цилиндрическая спиральная антенна имеет в режиме осевого излучения почти чисто активное входное сопротивление. Приближенно оно может быть определено по формуле:

Rвх =140 l / л; (15)

Чисто активное входное сопротивление является результатом существования бегущей волны на спирали.

На величину входного сопротивления влияет диаметр провода спирали: чем больше диаметр провода, тем при прочих равных условиях меньше входное сопротивление, как и следовало ожидать, так как в режиме бегущей волны входное сопротивление равно волновому сопротивлению, а волновое сопротивление изменяется в зависимости от диаметра провода.

5. Применение

Цилиндрические спиральные антенны - широкополосные антенны с осевым излучением волн круговой поляризации. Направленность спиралей средняя, Применяются как самостоятельные антенны в диапазонах дециметровых и метровых волн, облучатели антенн сантиметровых волн, элементы антенных решёток.

Являются вместе с турникетными и другими типами спиральных антенн незаменимыми, когда дело касается связи между меняющими своё положение и направление движения объектами за счёт вращающейся диаграммы направленности. К примеру, в космической связи. Так же применяются в радиолокации, а в режиме кругового излучения - в качестве антенн для сотовых телефонов и раций.

Рисунок 10 - Спиральная антенна, используемая в спутниковой связи

Рисунок 11 - Размещение антенной решётки из спиральных излучателей на борту КА «Электро».

Рисунок 12 - Антенная решётка

Рисунок 13 - Спиральная антенна в качестве облучателя в зеркальной антенне

Рисунок 14 - Спиральная антенна в составе рации

Заключение

В работе были рассмотрены спиральные антенны как разновидность широкополосных антенн. Имеется несколько разновидностей этих антенн, каждая со своими особенностями, способные решать определённый перечень проблем, благодаря чему им нашли применение в разных областях.

К примеру, благодаря эллиптической поляризации была решена проблема связи с объектами, имеющими неопределённое положение в пространстве или перемещающимися, что позволило этот тип антенн использовать для связи с космическими аппаратами, ракетами, средствами связи, находящимися на наземных и воздушных транспортных средствах.

Список литературы

1. Артёмова, Т.К. Антенны: Учеб. пособие/ Т.К. Артёмова, Н.И. Фомичёв.- Ярославль: Изд-во ЯрГУ, 2007. 128 с.

2. Генералов А.Г. Применение спиральных антенн для бортовых систем и комплексов/ Генералов А.Г., Гаджиев Э.В., Салихова М.Р. // Труды МАИ: Бюл. московского авиационного ин-та. - М., 2019.- Вып. 106

3. Зырянов Ю. Т. Антенны: Учеб. пособие/ Ю. Т. Зырянов, П. А. Федюнин, О. А. Белоусов, А. В. Рябов, Е. В. Головоченко.- Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2014.- 128 с.

Размещено на Allbest.ru