Спиральная антенна
Содержание
. Введение
. Цель работы
. Краткий обзор спиральных антенн
4. Основа работы цилиндрической спиральной антенны
5. Расчет
параметров цилиндрической антенны
. Выводы по проделанной работе
Список использованных источников
1. Введение
В окружающем нас мире часто очень важным оказывается тот факт, что
человек не может обойтись без большого количества необходимой и своевременной
информации. Эта информация может носить как мирный так и военный характер, но
она предназначена прежде всего для облегчения деятельности человека.
Одной из разновидностью устройств служащих для приема и передачи
информации являются антенны.
В данной курсовой работе будут рассмотрены вопросы расчета антенны,
удовлетворяющей поставленным техническим требованиям.
. Цель
работы
Целью работы является изучение спиральной антенны ДЦМВ диапазона, что
подразумевает собой расчет геометрических размеров антенны, ее характеристик
излучения.
.
Краткий обзор спиральных антенн
Спиральные антенны относятся к классу антенн бегущей волны. Они
представляют собой металлическую спираль, питаемую коаксиальной линией. Имеется
довольно много разновидностей спиральных антенн, однако почти все можно свести
к следующим трем типам :
а) цилиндрическая ( см. рисунок 3.1 ) ;
б) коническая ( см. рисунок 3.2 ) ;
в) плоская ( см. рисунок 3.3 ).
Рисунок
3.1 - Цилиндрическая антенна.
Рисунок
3.2 - Коническая антенна.
Рисунок 3.3 - Плоская антенна.
В зависимости от числа ветвей спирали, они могут быть однозаходные (одна ветвь), двухзаходные (две ветви) и т.д.
Принцип
действия спиральных антенн
Спиральная антенна (рис. 4.1) состоит из проволочной спирали, питаемой
коаксиальной линией. Внутренний провод этой линии присоединяется к спирали, а
наружная оболочка - к металлическому диску.
Спиральные антенны формируют диаграмму направленности, состоящую из двух
лепестков, расположенных вдоль оси спирали по разные стороны от нее. На
практике обычно требуется одностороннее излучение, которое получают, помещая
перед экраном (диском). Кроме того диск спиральной антенны служит для
уменьшения токов на наружной оболочке коаксиальной линии, уменьшения колебаний
входного сопротивления в рабочем. Диаметр диска выбирается порядка (0.8-1.5)l, где l - длина спирали. Диск не обязательно выполнять из сплошного
листа, его можно изготовить из системы радиальных и круговых проводов.
4. Основа работы цилиндрической спиральной антенны
Подробные исследования показали, что на излучающей цилиндрической спирали
одновременно существует несколько типов тока, отличающихся друг от друга
амплитудой и числом периодов, укладывающихся вдоль оси спирали со своим
затуханием и со своей фазовой скоростью. Однако форма диаграммы направленности
спирали зависит, в основном, лишь от одной, преобладающей волны, тип которой
определяется соотношением между длиной витка спирали и рабочей длиной волны.
Введем следующие обозначения:
l - рабочая длина волны в свободном пространстве;
Тq - волна тока в спирали q-го типа; q=0,1,2…. Целое число, указывающее, сколько периодов волны тока
укладывается вдоль одного витка спирали;
Vq- скорость распространения волны тока Тq по проводу спирали;
С - скорость света в свободном пространстве;
D -
диаметр витка цилиндрической спирали.
Известно три режима работы цилиндрической спиральной антенны:
1. Когда длина витка спирали меньше 0.65l (при этом длина волны l>5D), на ней преобладает волна Т0, характеризующаяся
изменением фазы тока в пределах 3600 на протяжении нескольких
витков. Волна Т0 от конца спирали приводит к образованию стоячих
волн, которые и формируют диаграмму направленности антенны. Волна Т1
имеет весьма малую амплитуду и в излучении не участвует. Максимальное излучение
для этого случая получается в плоскости, перпендикулярной оси спирали( рис
4.2а) и в этой плоскости оно не направлено.
2. Если длина витка лежит в пределах от
0.75l-1.3l (длина волны соответственно l=4D-2.2D), на
ней преобладает волна Т1, фазовая скорость которой меньше скорости
света V1»0.82 C. Волна Т1 интенсивно излучается всеми витками,
поэтому в спирали устанавливается бегущая волна тока, формирующая максимум
излучения вдоль оси спирали (рис 4.2 б). Имеющаяся также на спирали волна Т0
быстро затухает по длине спирали и ее вклад в диаграмму направленности невелик.
Режим осевого излучения является основным, наиболее используемым режимом
для работы спиральных антенн, поэтому волна Т1, являющаяся
преобладающей, когда длина провода витка спирали примерно равна рабочей длине
волны, называется основной.
3. При длине витка спирали, большей 1.5l (в этом случай l<2D), на цилиндрической спирали помимо основного типа волны Т1
возникают волны Т2, Т3 и т.д. Волна Т1
становится затухающей, в то время как Т2 имеет постоянную амплитуду
и является определяющей в излучении. Максимальное излучение получается в
направлениях, образующих острый угол относительно оси антенны, и
пространственная диаграмма получается в форме конуса
Рисунок 4.1 - схема возбуждения спиральной антенны.
Рисунок 4.2 - спирали, имеющие разный диаметр, и соответствующие им
диаграммы направленности.
. Расчет параметров цилиндрической антенны
Параметрами цилиндрической спирали являются:
n -
число витков спирали,
a - угол подъема витка,
R -
радиус спирали,
l -
осевая длина спирали,
S -
шаг спирали,
L -
длина витка спирали.
Между указанными параметрами существуют следующие соотношения (см Рис
5.1):
Рисунок 5.1
Диаметр витков спирали и шаг намотки должны быть выбраны таким образом,
чтобы каждый виток имел поляризацию, близкую к круговой, и максимальное
излучение в направлении оси спирали (ось Z). Кроме того, нужно, чтобы напряженности полей, создаваемых
отдельными витками в направлении оси Z, складывались в месте приема в фазе или с небольшим сдвигом фаз. В
соответствии с теорией антенны бегущей волны максимальный коэффициент
направленого действия получается в том случае, когда сдвиг фаз A1 между напряженностью поля,
создаваемого первым ( от источника ) витком, и напряженностью поля,
создаваемого последним витком, равен p.
Для
обеспечения круговой или близкой к ней поляризации поля, а также для
обеспечения интенсивного излучения каждого витка в направлении оси Z
нужно, чтобы длина витка была близкой к l. Сказанное можно пояснить следующим образом. Предположим, что шаг
витка бесконечно мал, тогда виток образует плоскую рамку. Как известно, в
спиральной антенне КБВ получается близким к единице. Предположим поэтому, что в
спиральной антенне имеет место режим бегущей волны. Предположим, кроме того,
что скорость распространения тока по витку равна скорости света. При этом сдвиг
фаз между током в начале и в конце витка равен 
.
В
направлении оси Z составляющие векторов напряженностей поля Ex и Ey
будут одинаковой величины.Сдвиг фаз между этими составляющими будет равняться p/2. Последнее следует из того, что токи в элементах
витка, ориентированных параллельно оси X, сдвинуты по
фазе на p/2 по отношению к фазе токов в элементах,
ориентированных параллельно оси Y. Равенство величин Ex и Ey и
сдвиг фаз между ними, равный p/2, обеспечивает круговую
поляризацию. При длине витка, равной l, и скорости
распространения тока вдоль провода, равной скорости света, обеспечивается также
интенсивное излучение в направлении оси Z. Последнее
может быть приближенно доказано следующим образом. Рассмотрим два произвольных
элемента витка, расположенных симметрично относительно центра, например элементы
1 и 2 (рис. 5.2). Каждый из этих элементов имеет максимальное излучение в
направлении оси Z. Векторы E, создаваемые этими элементами в
направлении оси Z, паралллельны касательным к окружности в точках 1 и
2. Сдвиг фаз между токами в элементах 1 и 2 вследтвии режима бегущей волны
равен p. Кроме того, токи в этих элементах имеют
противоположные направления, что эквивалентно дополнительному сдвигу фаз,
равному p. Таким образом, поля обоих элементов в направлении
оси Z складываются в фазе. Нетрудно показать, что любые два
симметрично расположенных элемента создают в направлении оси Z
синфазные поля, что обеспечивает интенсивное излучение в этом направлении.
Приведенное
здесь элементарное изложение принципа работы спиральной антенны не учитывает
всей сложности происходящих в ней процессов и, в частности, то, что в
действительности имеет место значительное отражение энергии от спирали. Кроме
того, волна вдоль антенны распространяется как непосредственно вдоль провода,
так и через пространственную связь между витками, что создает более сложную
картину распределения тока.
Рисунок
5.2.
Для
обеспечения круговой или близкой к ней поляризации поля, а также обеспечения
интенсивного излучения каждого витка в направлении оси Z необходимо,
чтобы длина витка была близкой к l.
Шаг
намотки и диаметр витка выбраны таким образом, что сдвиг фаз между
напряженностями полей, создаваемых первым и последним элементами витка, 
, то в направлении оси Z сохраняется
круговая поляризация и максимальное излучение. Это будет иметь место при
удовлетворении соотношения :
= 2
- сдвиг
фаз между полями начального и конечного элементов витка, определяемый
разностью хода лучей от этих элементов ; 
- сдвиг фаз полей этих элементов, определяемый сдвигом
фаз токов этих элементов.
Из вышеуказанного уравнения получаем соотношение между L и S, соответствующее круговой поляризации :
. (5.2)
Если выбрать соотношение между S и L в соответствии с этой формулой, то
сдвиг фаз между полями, создаваемыми в направлении Z соседними витками, также будет равняться 2p. Таким образом поля всех витков
антенны складываются в фазе, что обеспечивает максимальное излучение в
направлении оси Z. Однако такой
режим работы спиральной антенны не соответствует максимальному значению КНД.
Максимальный КНД получается при сдвиге фаз между полями первого и второго
витков, равном p. Для этого нужно, чтобы :
=
( 5.3 )
где n - число витков спирали.
Из
( 5.3 ) находим соотношение между 
и S,
соответствующее максимальному значению КНД :
При
удовлетворении соотношения ( 5.4 ), однако, не получается чисто круговой
поляризации, при этом несколько увеличивается уровень боковых лепестков.
Коэффициент неравномерности поляризационной характеристики в направлении оси
спирали равен:
. (5.5)
Если
данные антенны подобраны в соответствии с формулой ( 5.2 ) или ( 5.4 ), то
хорошие направленные свойства сохраняются в значительном диапазоне, лежащем
примерно в пределах от 0.75l до 1.3l, где l - волна, для
которой подобрано оптимальное соотношение между L, C/V1, n и S.
Расчет
антенны:
Исходные данные к расчету антенны
Рабочий диапазон длин волн: lmin=0.48 m
lmax=0.64m
Dl=24.5%
Ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности - 40
градусов
Расчет геометрических размеров антенны
Выберем среднее значение длины волны из заданного диапазона :
=
м 5.6)
На основании экспериментальных исследований были
получены следующие эмпирические формулы, справедливые для 5<n<14 и 120 <a<150:
Ширина диаграммы направленности по половинной
мощности, выраженная в градусах:
(5.7)
Коэффициент направленного действия(КНД) в
направлении ее оси:
(5.8)
Входное
сопротивление
Шаг
спирали можно найти из условия (5.2), если необходимо получить круговую
поляризацию, либо из (5.4), для получения максимального КНД.
1) Пусть нам необходима круговая
поляризация, тогда
Чтобы излучение антенны было осевым примем длину витка спирали равной
средней длине волны заданного диапазона:
=м(5.9)
шаг
спирали равен
=
м(5.10)
Угол намотки витков будет равен:
=12.69
(5.11)
a-удовлетворяет условию 120 <a<150,
значит мы можем применить формулы, полученные на основании экспериментальных
исследований:
Для
нахождения длины антенны, выразим l=nS из (5.7) при
удовлетворении условия (5.9):
=0.946м(5.12)
А
значит число витков равно:
=
(5.13)
Для дальнейших расчетов округлим число n до целого: n=8, тогда
=nS=0.986м(5.14)
Радиус спирали будет равен (см.рис.5.1):отсюда
=0.087м (5.15)
Длина провода для намотки спирали будет равна:
=
м(5.16)
Коэффициент направленного действия:
= 19.8(5.17)
Входное сопротивление антенны в режиме осевого излучения остается чисто
активным, так как в этом режиме в проводе спирали устанавливается режим бегущей
волны.
=140 Ом
1)
Пусть нам необходимо получить максимальный КНД, тогда
Чтобы излучение антенны было осевым примем длину витка спирали равной
средней длине волны заданного диапазона:
=
(5.18)
шаг спирали равен
=
(5.19)
Угол намотки витков будет равен:
=13.23(5.20)
a-удовлетворяет
условию 120 <a<150,
значит мы можем применить формулы, полученные на основании экспериментальных
исследований:
Для нахождения длины антенны, выразим l=nS из (5.7) при
удовлетворении условия (5.18):
=
м (5.21)
А значит число витков равно:
=5.546(5.22)
Для дальнейших расчетов округлим число n до целого: n=6, тогда
=nS=0.846м(5.23)
Радиус спирали будет равен:
=0.095м(5.24)
Длина провода для намотки спирали будет равна:
=м(5.25)
Коэффициент направленного действия:
=
(5.26)
Входное сопротивление
=154 Ом
Для обоих случаев:
Диаметр диска экрана принимается равным (0.9-1.1)lср
=(5.27)
Диаметр провода спирали выбирается порядка (0.03-0.05)lср
=
(5.28)
Расчет диаграммы направленности:
,(5.29)
где q - угол
относительно оси спирали.
Это приближение справедливо тем больше, чем
больше витков n имеет спираль и чем меньше шаговый угол a.
Диаграмма направленности одиночного витка приближенно
описывается выражением
.(5.30)
Множитель решетки, как известно, равен
.(5.31)
Применительно к спиральной антенне
,
где 
·
сдвиг фаз между токами соседних витков. Учитывая, что С/V1=1.22, для расчета диаграммы направленности
цилиндрической спиральной антенны получим следущее приближенное выражение:
В итоге при получении максимального КНД,
будем иметь диаграммы направленности для трех значений длин волн: lmin, lср, lмах:
При получении круговой поляризации, будем
иметь диаграммы направленности для трех значений длин волн: lmin, lср, lмах:
Согласование антенны с коаксиалом(Zв=75 ом)
Согласовать антенну с коаксиалом можно несколькими способами:
·
Согласование
четвертьволновым трансформатором:
Согласование антенны с входным сопротивлением Z3=120 Ом с коаксиалом Z1=75 Ом осуществляют куском коаксиала с 
=95 Ом, длиной L=
=0.14м, а антенны с входным
сопротивлением Z3=154 Ом с
коаксиалом с =110 Ом
·
Согласование
коаксиальной конической линией
Согласование осуществляют неотражающими конусами, длиною в целое число
полуволн, путем выполнения проводников в виде соответствующих линейных конусов.
Причем чем больше длина согласующего звена(укладывается больше полуволн), лучше
будет осуществляться согласование с антенной.
6. Выводы по проделанной работе
спиральный антенна излучение поляризация
В процессе выполнения курсового проекта был проведен расчет однозаходной
цилиндрической спиральной антенны: геометрические размеры антенны и
характеристики излучения антенны. Так как в основе работы спиральной антенны
лежит круговая поляризация, то данный тип антенн относят к широкодиапазонным
антеннам. Ниже приведены полученные результаты :
1 шаг спирали S = 0.053 м ;
длина
витка спирали = 0.192 м ;
радиус
спирали 
= 0.03 м
;
1 длина спирали Lz = 0.567 м
;
2 коэффициент направленного действия D = 30 дБ ;
3 входное сопротивление антенны Rвх = 31.7 Ом ;
4 число витков спирали N = 6 ;
5 угол намотки витка спирали a = 16 градусов ;
6
диаметр диска
антенны = 0.652 м ;
7 рабочая длина волны l = 0.175 м.
Список использованных источников
Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ.-
М.: Связь, 1971. В 2-х частях.
Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых, сканирующих,
широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. - М.: Энергия, 1973.- 440 с.
Воскресенский Д.И. Расчет и проектирование антенных решеток и
их излучающих элементов
Юрцев О.А.,... Спиральные антенны. - М.: Советское радио,
1974. - 224 с.
"Линии передачи сантиметровых волн", ч.I-II. Пер. с англ., под ред. Г.А.Ремеза. Изд-во
"Сов.радио", 1961