Список рекомендованной литературы

ОДЕССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ им. О.С. ПОПОВА

Кафедра технической электродинамики и систем радиосвязи

 

ИССЛЕДОВАНИЕ СПИРАЛЬНЫХ антенн

 

 

Методические указания к лабораторной работе № 6

по дисциплине „Антенны и устройства СВЧ”

для студентов всех форм обучения по специальности 8.090703

«Аппаратура радиосвязи, радиовещания и телевидения»

 

 

УТВЕРЖДЕНО

Методическим советом ОНАС им. А.С. Попова

Протокол № ____ от «____»_______ 200 _г.

 

Одесса 2006

УДК 621.392.67 План НМВ 2006 года

 

Рецензент проф. М.М. Одинцов

Составитель проф. Т. А. Цалиев

 

Описаны конструкции, принцип действия и основные электродинамические характеристики спиральных антенн, приведены основные расчетные формулы. Пособие содержит указания и требования относительно выполнения домашнего задания, ключевые вопросы и требования к выполнению лабораторной работы.

 

 

ОДОБРЕНО

на заседании кафедры технической

электродинамики и систем радиосвязи

и рекомендовано к печати

Протокол № ___ от «____»________ 2006 г.

 

Лабораторная работа № 6

«Исследование спиральных антенн»

 

 

Цель работы

 

- Углубленная проработка лекционного материала.

- Изучение принципа действия спиральных антенн.

- Ознакомление с конструкциями спиральных антенн.

- Расчет параметров спиральных антенн.

- Измерение диаграмм направленности спиральных антенн.

 

 

Ключевые положения

 

2.1 Классификация спиральных антенн

 

Спиральные антенны получили такое название благодаря форме проводников, образующих излучающий элемент антенны. Спиральные антенны могут работать в широкой полосе частот и в большинстве случаев используются для излучения (приема) волн круговой поляризации, при этом направление вращения векторов поля соответствует направлению намотки спирали. Антенны этого типа могут применяться как самостоятельно, так и в качестве элементов антенных решеток и облучателей зеркальных антенн.

Следует особенно подчеркнуть, что антенна, излучающая поле круговой (например, правой) поляризации, способна принимать поле той же самой (правой) круговой поляризации.

Спиральные антенны наиболее просто можно классифицировать по нескольким основным признакам, которые в значительной степени определяют их свойства: по форме, способу намотки и количеству ветвей спирали.

 

Классификация спиральных антенн	По форме образующей поверхности	По количеству ветвей спирали	По способу намотки
Плоские (рис. 1.1 в, г)	Однозаходные (рис. 1.1 а, б)	С постоянным шагом
С переменным шагом
Цилиндрические (рис. 1.1 а)	Двухзаходные (рис. 1.1 в, г)
С постоянным углом подъема витков
Со встречной намоткой
Конические (рис. 1.1 б)	Многозаходные
Равноугольные (рис. 1.1 г) или логарифмические

 

При этом форма поперечного сечения проводников, образующих ветви спирали может быть весьма разнообразной. Это могут быть круглые проводники (рис.1.1 а, б), плоские ленты (рис. 1.1 в, г), цилиндрические спирали малого диаметра, зигзагообразные, меандровые и другие замедляющие структуры. Если форма ветвей плоской или конической спирали определяется только углами (равноугольные спирали, рис. 1.1 г), то это дает возможность на их основе создавать частотно независимые антенны. Для получения линейной поляризации двухзаходные (многозаходные) спиральные антенны выполняются с двухсторонней (встречной) намоткой.

Наиболее распространенными являются цилиндрические (рис. 1.1 а), конические (рис. 1.1 б) и плоские (рис. 1.1 в, г) спиральные антенны.

 

 

а б в г

 

Рисунок 1.1 - Типы спиралей

Характеристики спиральной антенны (форма диаграммы направленности, поляризация поля, частотные свойства и т.д.) зависят от конструктивных особенностей антенны, отношения основных размеров к длине волны в свободном пространстве, типа волн возбужденных в спирали.

 

 

2.2 Плоская двухзаходная спиральная антенна

 

Антенна выполняется в виде плоской спирали Архимеда, состоящей из двух плеч (ветвей спирали), возбуждаемых в центре спирали в точках
(рис. 2.1). Проводники, из которых выполняются эти ветви, в частности, могут иметь вид плоских лент и выполняться в виде печатной платы на тонком листе диэлектрика. Радиусы и ветвей спирали определяются уравнениями следующего вида

, ,

т.е. пропорциональны углу разворота ветви спирали в рассматриваемой точке.

Особенностью спирали Архимеда является то, что расстояние между проводниками и их ширина не зависят от угла . Причем обычно спираль выполняется так, что (принцип дополнительности). В зависимости от способа возбуждения возможны два режима работы спирали Архимеда - противофазный и синфазный.

 

Рисунок 2.1 - Геометрия плоской двухзаходной спирали Архимеда

 

Рассмотрим механизм образования излучения такой спиральной антенны в предположении, что вдоль каждого проводника, начиная от центра спирали, распространяется бегущая волна тока, а ширина самого проводника гораздо меньше длины волны.

Противофазное возбуждение. Пусть в начальных точках каждой из ветвей спирали имеют место следующие соотношения фаз

, .

Выделим две точки спирали и , расположенные на разных ветвях, на одинаковых расстояниях от точек и . Фазовый набег волны тока в этих точках одинаков и равен и, следовательно , , где - постоянная распространения волны тока в спирали. Пусть точки и лежат на окружности радиуса . Рассмотрим точку , соседнюю с точкой , но лежащую на другом проводнике спирали. Дополнительный фазовый набег в этой точке по сравнению с точкой составляет , следовательно, в точке полный фазовый набег составит

.

с учетом этого разность фаз токов в соседних проводниках спирали в точках и составляет

Значения радиусов , при которых токи в соседних точках синфазны определяются из соотношения

и оказываются равными , ().

Отсюда следует, что на окружности (называемой "токовым кольцом") с периметром равным нечетному числу длин волн токи в соседних проводниках спирали синфазны и могут интенсивно излучать электромагнитные волны. Причем наибольшую интенсивность имеет излучение токов в районе окружности радиусом . Токи в диаметрально противоположных точках излучающего кольца синфазны и основное излучение происходит вдоль оси антенны в двух противоположных направлениях, в этих направлениях поле имеет круговую поляризацию.

Вне этой окружности амплитуды токов в проводниках спирали резко уменьшаются (отсечка тока) вследствие того, что существенная часть энергии токов была израсходована на излучение.

Отметим, что при изменении длины волны соответственно ("автоматически") меняется размер излучающей области, что и определяет широкополосность архимедовой спирали по направленным свойствам.

Комплексные нормированные характеристики направленности архимедовой спирали для основных компонент излучаемого поля при противофазном возбуждении описываются выражениями

(2.1)

, (2.2)

в которых следует положить .

На рис. 2.2 показаны амплитудные диаграммы направленности для меридиональной (сплошная линия) и экваториальной (пунктир) составляющих поля плоской архимедовой спирали противофазного возбуждения, рассчитанные по формулам (2.1) и (2.2).

Рисунок 2.2 - Диаграммы направленности при
противофазном возбуждении

Главный лепесток диаграммы направленности направлен по нормали к плоскости спирали ().

Как видим, функции и в направлении главного лепестка ДН почти совпадают, поэтому поляризация поля здесь близка к круговой, однако для направлений вблизи плоскости спирали поляризация становится линейной.

Для получения однонаправленного излучения спираль помещают на некоторой высоте (примерно равной нечетному числу четвертей длины волны) параллельно металлическому экрану. Считая экран плоским бесконечным идеально проводящим, характеристики направленности можно рассчитать, воспользовавшись формулами

;

,

где и означают, соответственно, функцию Бесселя первого порядка и ее производную. Коэффициент эллиптичности поля излучаемого антенной при противофазном возбуждении определяется выражением

.

Синфазное возбуждение. Начальные точки спирали соединены вместе, следовательно, в этих точках фазы токов одинаковы

, .

По мере удаления от точек питания синфазность токов в соседних проводниках наступает при выполнении условия и радиусы "токовых колец" оказываются равными , (). Первое из этих колец радиусом , соответствующее , излучает большую часть мощности. При этом на витке укладываются две волны тока; токи на диаметрально противоположных точках кольца противофазны и антенна не излучает вдоль своей оси.

Комплексные нормированные характеристики направленности архимедовой спирали для основных компонент излучаемого поля при синфазном возбуждении описываются выражениями

(2.3)

, (2.4)

в которых следует положить . Функции Бесселя и их производные, входящие в (2.3) и (2.4) можно определить исходя из следующих рекуррентных соотношений

,

На рисунке 2.3 показаны амплитудные диаграммы направленности (сплошная линия) и (пунктир) плоской архимедовой спирали синфазного возбуждения, рассчитанные по формулам (2.3) и (2.4).

Рисунок 2.3 - Диаграммы направленности при синфазном возбуждении

 

Как видим, функции и не совпадают, поэтому поляризация поля близка к круговой только в области углов примерно до , при стремлении к поляризация приближается к линейной. На практике для удобства возбуждения антенны коаксиальным кабелем и для получения однонаправленного излучения спираль помещают на высоте над металлическим экраном. Считая экран плоским бесконечным идеально проводящим, характеристики направленности можно рассчитать, воспользовавшись формулами

Коэффициент эллиптичности поля излучаемого антенной определяется выражением

.

Цилиндрические спирали

 

3.1 Геометрия и основные особенности

 

 

Цилиндрические спиральные антенны можно отнести к классу антенн бегущей волны и одновременно к классу антенн с круговой поляризацией. Эти антенны широко применяются в диапазонах сантиметровых и дециметровых волн в качестве антенн осевого излучения.

Свойства цилиндрических спиралей принято анализировать, рассматривая волны в бесконечной периодической структуре – однозаходной спирали. Вдоль такой структуры может распространяться бесконечное число волн (пространственных гармоник). Геометрия цилиндрической спирали определяется следующими параметрами: диаметром витков , углом подъема витков , длиной витка , шагом спирали (рис. 2.1 а).

Собственные волны такой структуры принято обозначать буквой с индексом , указывающим целое число длин волн, укладывающихся на одном витке спирали. В области существования каждой собственной волны наблюдается пространственный резонанс: амплитуда одной из пространственных гармоник значительно превышает амплитуды всех остальных. Благодаря этому поле резонирующей гармоники определяет поле собственной волны, индекс равен номеру резонирующей гармоники.

 

 

Рисунок 2.4 - Геометрия однозаходной цилиндрической спирали

 

Когда длина витка спирали (рис. 2.4) заметно меньше длины волны, в спирали преобладает собственная волна типа . На протяжении одного витка амплитуда и фаза тока практически постоянны и излучение вдоль оси спирали отсутствует. Максимум излучения в такой системе направлен перпендикулярно оси спирали, и поле имеет эллиптическую поляризацию. Спиральные антенны с волной в антенной практике используются редко и только в качестве приемных.

Если на каждом витке спирали укладывается одна волна тока (две полуволны), то вдоль спирали распространяется волна с фазовой скоростью меньше скорости света (примерно ). Спираль играет роль замедляющей структуры, и такая антенна является типичной антенной осевого излучения. ДН имеет вид характерный для антенн осевого излучения, – главный лепесток направлен вдоль ее оси, имеются значительные боковые лепестки. Поле в направлении оси имеет практически круговую поляризацию, а при отклонении точки наблюдения от оси поляризация становится эллиптической.

Режим осевого излучения сохраняется в довольно широком диапазоне частот (с коэффициентом перекрытия ).

Принцип действия спиральной антенны в режиме осевого излучения можно объяснить, представив ее в виде совокупности плоских круглых витков и линейных вибраторов длиной (рис. 2.4 б).

Так как длина плоского витка в этом случае примерно равна длине волны, а длина линейной части невелика, то, очевидно, что излучение витка более интенсивно.

Будем считать, что распределение тока вдоль витка имеет вид

,

т.е. описывает две стоячие волны тока, повернутые в пространстве на и сдвинутые по фазе на (рис. 2.5), где – амплитудное значение тока в пучности, – координата, отсчитываемая вдоль окружности витка.

 

Рисунок 2.5 - Распределение тока на периметре витка для волны типа

 

В таком случае поле излучения каждого витка можно рассматривать как совокупность полей двух пар изогнутых полуволновых вибраторов возбуждаемых этими стоячими волнами тока. Взаимная ориентация этих пар и фазовый сдвиг токов в них обеспечивают круговую поляризацию поля вдоль оси витка.

Приближенно можно считать, что амплитуда бегущей волны в спирали постоянна.

 

3.2 Направленные свойства

 

Цилиндрическую спиральную антенну в режиме осевого излучения можно рассматривать как решетку, элементами которой являются витки спирали. Поскольку одиночный виток характеризуется слабой направленностью, то направленные свойства цилиндрической спиральной антенны в основном определяются множителем системы.

Характеристики направленности цилиндрической спиральной антенны в режиме осевого излучения имеют вид

, (2.5)

для меридиональной компоненты поля и

 

, (2.6)

для азимутальной компоненты.

В этих формулах угол отсчитывается от оси спирали и введены обозначения: , - радиус витка – число витков, – коэффициент замедления, - длина волны в спирали. Угол подъема спирали и коэффициент замедления можно определить из выражений

, .

Ширину главного лепестка ДН по уровню половинной мощности при можно рассчитать, воспользовавшись формулой

,

где - осевая длина спирали.

На рис. 2.6 показана нормированная диаграмма направленности суммарного поля цилиндрической спиральной антенны, рассчитанная с использованием выражений (2.5) и (2.6) при следующих значениях параметров: мм, , , мм.

Рисунок 2.6 - ДН цилиндрической спиральной антенны

Входное сопротивление и КНД цилиндрической спиральной антенны можно найти, воспользовавшись приближенными формулами Крауса

; ,

 

дающих правильные результаты только на длинноволновом краю рабочего диапазона.

Рабочий диапазон определяется из условия , где - длина витка спирали. Для достижения максимальной широкополосности угол намотки спирали выбирается равным (). Для обеспечения односторонней направленности применяется экран диаметром , обеспечивающий также удобное возбуждение спирали с помощью коаксиального кабеля (рис. 2.7)

 

Рисунок 2.7 - Цилиндрическая спиральная антенна с экраном

 

На направленные свойства спиральной антенны оказывают влияние такие конструктивные особенности как: диаметр и материал провода, форма начального и конечного участков спирали, размер экрана. Увеличение диаметра провода выравнивает ДН для двух ортогональных компонент поля излучения, уровень боковых лепестков несколько возрастает, входное сопротивление при этом уменьшается. Плохая проводимость провода спирали приводит к расширению главного лепестка и уменьшению уровня боковых лепестков ДН.

Форма начального участка провода заметно влияет на ДН и входное сопротивление. Для уменьшения этого влияния следует начальный участок делать достаточно коротким (около ). Форма конечного участка спирали оказывает влияние на величину отражений от конца антенны. Для уменьшения отражений можно плавно уменьшать диаметр витков к концу спирали либо увеличивать шаг.

В режиме, когда вдоль спирали распространяется волна типа , главный лепесток ДН направлен под некоторым углом к оси антенны. ДН имеет воронкообразный вид, поляризация поля близка к круговой.

В практических конструкциях спиральных антенн часто применяется опорный цилиндр из диэлектрика, на поверхность которого укладываются витки спирали. Если диэлектрик однороден в продольном и радиальном направлениях, то свойства симметрии спиральной структуры не изменяются.

Для уменьшения поперечных размеров спиральной антенны иногда используются замедляющие системы, уменьшающие фазовую скорость тока в заходах спирали. Кроме того, проводник спирали может сам представлять собой замедляющую структуру (например, спираль малого радиуса или ленту в виде меандра).

К достоинствам однозаходной цилиндрической спиральной антенны можно отнести простоту конструкции и хорошую широкополосность как по направленным свойствам, так и по входному сопротивлению, причем реактивная часть входного сопротивления незначительна. Недостатками можно считать небольшую асимметрию ДН, невысокую направленность и повышенный уровень боковых лепестков ДН (что является характерным для антенн бегущей волны).

Использование двухзаходных (многозаходных) цилиндрических спиральных антенн позволяет устранить асимметрию ДН и улучшить частотные свойства и стабильность характеристик антенны по частотному диапазону. Например, в
-заходной спирали в режиме осевого излучения максимальный коэффициент перекрытия

,

 

однако при этом усложняется система возбуждения спирали.

Сказанное можно объяснить на примере двухзаходной спирали. В такой спирали при противофазном возбуждении могут распространяться только нечетные типы волн ( , … ), а при синфазном возбуждении – только четные типы волн, т.е. проявляются ее фильтрующие свойства. В результате ДН таких спиральных антенн имеют меньший уровень боковых лепестков, а их входные сопротивления меньше изменяются в рабочем диапазоне. Кроме того, ДН таких антенн более осесимметричны и стабильны в пространстве по сравнению с ДН однозаходных антенн, а их поляризационные ДН более равномерны.

3.3 Конические спиральные антенны

 

Конические спиральные антенны более широкополосны, чем цилиндрические, но имеют меньший КНД. Существует много разновидностей конических спиральных антенн, отличающихся формой конуса и проводов, числом плеч (заходов) спирали, способом возбуждения и т.д. Рассмотрим наиболее распространенные конические проволочные спирали, навитые на прямом конусе (рис. 2.8):

 

А б

Рисунок 2.8 - Конструкции конических спиральных антенн

 

Антенны с малой конусностью имеют две основные разновидности, отличающиеся законом намотки витков спирали: с постоянным углом подъема и спирали с постоянным шагом. Вне зависимости от закона намотки в этих антеннах излучение в основном происходит за счет той части спирали, вдоль которой распространяется волна , идентичная волне в цилиндрической спирали.

Область преимущественного существования такой волны ограничена следующими пределами:

 

Остальная часть антенны слабо участвует в излучении, хотя и влияет на уровень бокового и заднего излучения. Из-за уменьшения размера рабочей области конические спиральные антенны имеют меньший КНД, чем цилиндрические при равной общей длине антенн. Диаграмма направленности становится хорошо сформированной, если излучающая область охватывает не менее трех витков. Рабочий диапазон частот антенн, в своей длинноволновой части ограничен максимальными размерами витков. Однако в коротковолновой части диапазона, при возбуждении спирали с основания (рис. 2.8,а), возможно возникновение в самых длинных витках волны , эти витки начинают сильно излучать, что приводит к сильному искажению ДН.

Поэтому коэффициент перекрытия при питании с основания конуса имеет величину 2…3, а при питании с вершины (рис.2.8.6) может достигать 10.

Оптимальные геометрические параметры антенн с постоянным углом подъема витков спирали такие: , угол подъема , число витков . Диаметр экрана рекомендуется брать примерно равным средней длине волны , а первый виток антенны располагать от него на расстоянии не превышающем .

Оптимальные геометрические параметры антенн с постоянным шагом намотки выбираются так: , шаг , начальный и конечный радиусы витков спирали , . Длина спирали может быть определена из соотношения

.

Стабильность характеристик всех однозаходных проволочных конических спиральных антенн в рабочем диапазоне невысока. Ширина главного лепестка ДН может изменяться в 1,5 раза и более, уровень боковых лепестков ДН на коротковолновом краю диапазона достигает 0, 16. Направление главного максимума может отклоняться от оси антенны на , коэффициент эллиптичности в пределах ширины главного лепестка ДН может падать до , а КБВ в линии питания снижаться до .

Использование двухзаходных (многозаходных) спиралей (как и в цилиндрических спиральных антеннах) позволяет практически устранить многие из перечисленных недостатков.

Спиральные антенны могут применяться как самостоятельно, так и в качестве элементов антенных решеток и облучателей зеркальных антенн.

Домашнее задание

 

4.1 Подготовить бланк отчета к лабораторной работе.

4.2 Пользуясь данными таблицы 10.1 рассчитать входное сопротивление цилиндрической спирали, КНД и построить диаграммы направленности в двух плоскостях, определить ширину главного лепестка и уровень первого бокового лепестка.

4.3 Пользуясь приведенными выше формулами рассчитать КНД для заданного рупора

4.4 Изобразить схему лабораторной установки и изучить методику выполнения измерений диаграмм направленности.

 

Таблица 3.1 - Данные к расчету характеристик спиральных антенн

 

№ бригады	, мм	, мм	, мм
	2,8	0,25
	2,9	0,27
	3,0	0,29
	3,1	0,3
	3,2	0,32
	3,3	0,35
	3,4	0,38
	3,5	0,40

 

 

4.1 Лабораторная установка

 

Лабораторная установка содержит следующие элементы:

- генератор СВЧ;

- комплект исследуемых спиральных антенн;

- волноводную детекторную секцию;

- вспомогательную измерительную антенну

- узкополосный измерительный усилитель, который совместно с детекторной секцией предназначен для оценки уровня мощности на выходе исследуемой антенны.

Студенты должны по указанию преподавателя измерить и построить диаграммы направленности нескольких антенн (из числа имеющихся).

 

4.2 Лабораторное задание

 

Изучить схему лабораторной установки предназначенной для измерения диаграмм направленности, а также методику проведения измерений и особенности работы с измерительными приборами, входящими в состав этой установки.

Установить в макет одну из выбранных спиральных антенн и зафиксировать ее обеспечив ее правильную ориентацию при измерениях ДН.

Сориентировать исследуемую антенну в направлении на вспомогательную антенну и настроить приемную часть до получения максимальных показаний измерительного прибора.

Поворачивая исследуемую антенну вокруг вертикальной оси фиксировать угол поворота и показания измерительного прибора, занося эти значения в таблицу.

По результатам измерений построить нормированную диаграмму направленности.

Аналогичные измерения провести для других антенн.

По результатам измерений рассчитать параметры ДН (ширину главного лепестка и уровень первого бокового лепестка).

Сопоставить полученные результаты и сделать выводы.

Примечание 1. Следует иметь в виду, что из-за квадратичности характеристики детекторной секции показания измерительного прибора пропорциональны не напряженности поля, а мощности на выходе антенны.

Примечание 2. Выбор шага (дискретности по углу поворота) при измерениях ДН антенн в лабораторных условиях следует производить так, чтобы в пределах каждого лепестка ДН имелось не менее 5 точек.

Примечание 3. Поскольку измерения проводятся в помещении, где на результаты влияет наличие стен и посторонних объектов, то следует ограничиться измерениями в пределах главного и первого бокового лепестка ДН.

5 Ключевые вопросы

 

5.1 Поясните конструкцию плоской архимедовой спирали. На макетах антенн укажите направление вращения плоскости поляризации

5.2 Поясните конструкцию цилиндрической спирали. На макетах антенн укажите направление вращения плоскости поляризации.

5.3 Поясните конструкцию конической спирали. На макетах антенн укажите направление вращения плоскости поляризации Поясните, с какой целью производится постепенное увеличение диаметра витка.

5.4 Чем отличаются характеристики конических антенн питаемых с основания и с вершины?

5.5 Какие типы волн могут существовать в бесконечных цилиндрических спиралях?

5.6 Приведите условия возникновения и распространения волн типа , и .

5.7 Как поясните как формируется поле витка с бегущей волной тока, если его периметр примерно равен длине волны.

5.8 Как ориентирован главный лепесток ДН спиральной антенны при волне типа .

5.9 Как ориентирован главный лепесток ДН спиральной антенны при волне типа .

5.10 Каков вид имеет ДН спиральной антенны при волне типа .

5.11 Какими преимуществами обладают многозаходные спиральные антенны по сравнению с однозаходными.

5.12 В чем состоит принцип «отсечки тока».

5.13 Какие типы спиральных антенн наиболее широкополосны: цилиндрические, конические с постоянным шагом или равноугольные? Мотивируйте свой ответ..

5.14 Запишите формулу Крауса и укажите область ее применения.

5.15 Что можно сказать о фазовой скорости волны распространяющейся вдоль оси цилиндрической спирали?

5.16 Какие конструктивные особенности определяют основные характеристики спиральной антенны?

5.17 Какие изменения происходят с диаграммой направленности цилиндрической спиральной антенны работающей в режиме осевого излучения при увеличении числа витков и неизменном шаге?

5.18 Как изменятся частотные свойства спиральной антенны при одновременном и пропорциональном увеличении диаметров всех витков?

5.19 Какими конструктивными мерами реализуется в ц