Главная » Настройки » Самодельная спиральная тв антенна. Спиральная антенна. Самостоятельное изготовление антенны

Самодельная спиральная тв антенна. Спиральная антенна. Самостоятельное изготовление антенны

На частотах выше 300 МГц и выше широкое применение находят цилиндрические спиральные антенны бегущей волны. Один из вариантов исполнения спиральной антенны приведён на рис.1. Она представляет собой спираль диаметром D и шагом намотки S , и металлического рефлектора, выполненного в виде диска или квадрата с размером ≈2D .

В зависимости от геометрических параметров (электрической длины периметра витка с и электрической длины шага спирали S ) спиральной антенны, в ней могут возбуждаться различные типы волн (моды). Наибольшее значение на характер излучения антенны оказывает фазовое соотношение между соседними витками спирали.

Нас интересует волна Т1 (рис.2), для которой характерно отличие на 360 градусов фазы токов на соседних витках.

Волна Т1 образуется при электрической длине периметра витка, близкой к длине волны λ , при этом спиральная антенна работает в режиме осевого излучения (максимум излучения совпадает с осью спирали).

Оптимальные размеры спиральной антенны:

  • Диаметр витка D=λ/π
  • Шаг спирали S=0,25λ
  • Угол спирали α=12°

Входное сопротивление антенн, при условии 12°≤α≤15° , 0,75λ<с<1,33 λ и количестве витков n>3 равно:

RА ≈140·с/λ (ом)

Ширина основного лепестка диаграммы направленности по уровню половинной мощности:

θ0,5 =52 ·λ/с ·√nS/ λ (градусов)

На рис.3 изображён результат расчёта диаграммы направленности спиральной антенны в вертикальной и горизонтальной плоскости с помощью программы MMANA .

Рис.3 Диаграмма направленности спиральной антенны.

Цилиндрические спиральные антенны, работающие в режиме волны Т1 имеют круговую поляризацию. При приёме сигнала антенной с линейной поляризацией (вертикальной или горизонтальной) сигнал будет ослаблен на 3дБ (в два раза). Чтобы этого избежать, можно использовать систему из двух спиральных антенн с противоположным направлением намотки спирали и питаемых синфазно, расположенных на расстоянии 0,5 λ или 1,5 λ (рис.4).

Входное сопротивление такой антенной системы будет равно 67,6 ома, что хорошо согласуется с волновым сопротивлением коаксиального кабеля (КСВ 1,1 и 1,35 для 75 и 50 омного кабеля соответственно). Волновое сопротивление однопроводной линии (рис.5) участка ab должно соответствовать входному сопротивлению спиральной антенны (≈140ом). Для этого необходимо выдержать соотношение e/d равным ≈2,75.

Для согласования одиночной антенны или антенной системы, состоящей из трёх и более антенн в данном случае можно использовать экспоненциальный согласующий трансформатор, конструктивно выполненный в виде полосковой линии (рис.6). У экспоненциальной линии волновое сопротивление изменяется вдоль её длины по закону:

Z 0 (x)=Z 01 e bx , где

Z 01 - волновое сопротивление линии на входе

Z 0 (x) - волновое сопротивление линии в сечении, расположенном на расстоянии х от её начала

b - параметр, показывающий скорость изменения волнового сопротивления линии

В зависимости от КСВ и известного отношения Z02 /Z01 волновых сопротивлений в конце и в начале линии её минимальную длину расчитывают по формуле:

, где ;

На рис.7 изображён экспоненциальный согласующий трансформатор, расчитаный на согласование сопротивлений 140 ом и 50 ом на частоте 2450 МГц при КСВ 1,2. Расстояние e равно 7 мм, диэлектрик - воздух (ε=1), толщина материала d 1 мм.

Благодаря высокому коэффициенту усиления и стабильности электрических параметров, ввиду невысокой чувствительности к внешним факторам и отклонениям в геометрии, цилиндрические спиральные антенны могут найти широкое применение в системах связи и безопасности для организации дальней связи.

Литература

Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ.

Беньковский З., Липинский Э. Любительские антенны КВ и УКВ.

Уронов Л.Г.

ООО «ТехноСфера», 2011 г.

Покупать хорошую антенну на дачу не всегда целесообразно. Особенно если она посещается время от времени. Дело не столько в затратах, сколько в том, что ее через некоторое время может не оказаться на месте. Поэтому многие предпочитают делать антенну для дачи самостоятельно. Затраты минимальные, качество неплохое. И самый важный момент — ТВ антенна своими руками может быть сделана за полчаса-час и потом, в случае необходимости, легко повторяется…

Цифровое телевидение в формате DVB-T2 передается в диапазоне ДМВ, причем цифровой сигнал или есть, или его нет. Если сигнал принимается, то картинка получается хорошего качества. В связи с этим. для приема цифрового телевидения подходит любая дециметровая антенна. Многим радиолюбителям знакома телеантенна, которую называют «зигзагообразная» или «восьмерка». Эта ТВ антенна своими руками собирается буквально за считанные минуты.

Для уменьшения количества помех сзади антенны ставят отражатель. Расстояние между антенной и отражателем подбирают экспериментально — по «чистоте» картинки
Можно на стекле прикрепить фольгу и получить неплохой сигнал….
Медная трубка или проволока — оптимальный вариант, хорошо гнется, легко пр

Делать ее очень просто, материал — любой токопроводящий металл: трубка, прут, проволока, полоса, уголок. Принимает она, несмотря на простоту, хорошо. Выглядит как два квадрата (ромба), соединенных между собой. В оригинале за квадратом располагается отражатель — для более уверенного приема сигнала. Но он больше нужен для аналоговых сигналов. Для приема цифрового телевидения вполне можно обойтись и без него или установить потом, если прием будет чересчур слабым.

Материалы

Оптимально для этой самодельной телеантенны подходит медная или алюминиевая проволока диаметром 2-5 мм. В этом случае сделать все можно буквально за час. Также можно использовать трубку, уголок, полосу из меди или алюминия, но надо будет какое-то приспособление чтобы выгнуть рамки нужной формы. Проволоку же можно гнуть молотком, закрепив ее в тисках.

Также потребуется коаксиальный антенный кабель требуемой длины, штекер подходящий к разъему на вашем телевизоре, какое-то крепление для самой антенны. Кабель можно брать с сопротивлением 75 Ом и 50 Ом (второй вариант хуже). Если делается ТВ антенна своими руками для установки на улице, обратите внимание на качество изоляции.

Крепление зависит от того, где вы собираетесь повесить самодельную антенну для цифрового телевидения. На верхних этажах можно попробовать использовать ее как домашнюю и повесить на шторы. Тогда нужны крупные булавки. На даче или если выносить самодельную телеантенну на крышу, надо будет крепить ее к шесту. Для этого случая ищите подходящие фиксаторы. Для работы еще понадобится паяльник, наждачная бумага и/или напильник, надфиль.

Нужен ли расчет

Для приема цифрового сигнала нет необходимости считать длину волны. Просто желательно сделать антенну более широкополосной — чтобы принимать как можно больше сигналов. Для этого в оригинальную конструкцию (на фото выше) внесены некоторые изменения (дальше по тексту).

При желании можете сделать расчет. Для этого надо узнать на какой волне транслируется сигнал, разделить на 4 и получить требуемую сторону квадрата. Чтобы получить требуемое расстояние между двумя частями антенны, делайте наружные стороны ромбов чуть длиннее, внутренние — короче.

Чертеж антенны «восьмерки» для приема цифрового ТВ

  • Длина «внутренней» стороны прямоугольника (В2) — 13 см,
  • «наружной» (В1) — 14 см.

За счет разницы длин образуется расстояние между квадратами (они соединяться не должны). Два крайних участка делают длиннее на 1 см — чтобы можно было свернуть петлю, к которой припаивается коаксиальный антенный кабель.

Изготовление рамки

Если посчитать все длины, получится 112 см. Отрезаем проволоку или тот материал, который у вас есть, берем пассатижи и линейку, начинаем гнуть. Углы должны быть под 90° или около того. С длинами сторон можно немного ошибаться — это не смертельно. Получается так:

  • Первый участок — 13 см + 1 см на петлю. Петлю можно согнуть сразу.
  • Два участка по 14 см.
  • Два по 13 см, но с поворотом в противоположную сторону — это место перегиба на второй квадрат.
  • Снова два по 14 см.
  • Последний — 13 см + 1 см на петлю.

Собственно рамка антенны готова. Если все удалось сделать правильно, между двумя половинами в середине получилось расстояние 1,5-2 см. Могут быть небольшие расхождения. Далее петли и место перегиба зачищаем до чистого металла (обработать наждаком с мелким зерном), залудить. Две петли соединить, обжать пассатижами чтобы держались крепко.

Подготовка кабеля

Берем антенный кабель, осторожно зачищаем. Как это делать показано на пошаговом фото. Зачистить кабель надо с двух сторон. Один край будет крепиться к антенне. Тут зачищаем так, чтобы провод торчал на 2 см. Если получилось больше, лишнее (потом) можно будет отрезать. Экран (фольгу) и оплетку скрутить в жгут. Получилось два проводника. Один — центральная моножила кабеля, второй — скрученный из множества проводков оплетки. Оба нужны и их нужно залудить.

Ко второму краю подпаиваем штекер. Тут достаточно длины 1 см или около того. Также сформировать два проводника, залудить.

Штекер в тех местах, где будем проводить пайку, протереть спиртом или растворителем, зачистить наждаком (можно надфилем). На кабель надеть пластиковую часть штекера, теперь можно начинать пайку. К центральному выходу штекера припаиваем моножилу, к боковому — многожильную скрутку. Последнее — обжать захват вокруг изоляции.

Дальше можно просто накрутить пластиковый наконечник, в можно залить клеем или токонепроводящим герметиком (это важно). Пока клей/герметик не застыл, быстро собираем штекер (накручиваем пластиковую часть), убираем излишки состава. Так штекер будет почти вечным.

DVB-T2 ТВ антенна своими руками: сборка

Теперь осталось соединить кабель и рамку. Так как мы не привязывались к конкретному каналу, припаивать кабель будем к средней точке. Это увеличит широкополосность антенны — принимать будет больше каналов. Потому второй разделанный конец кабеля припаиваем к двум сторонам посередине (те, которые зачищали и лудили). Еще одно отличие от «оригинальной версии» — кабель не надо обводить по рамке и припаивать внизу. Это тоже расширит диапазон приема.

Собранную антенну можно проверить. Если прием нормальный, можно закончить сборку — залить герметиком места пайки. Если прием плохой, попробуйте для начала найти место, где ловится лучше. Если положительных изменений нет, можно попробовать заменить кабель. Для простоты эксперимента можно использовать обычную телефонную лапшу. Она стоит копейки. К ней припаять штекер и рамку. Попробовать с ней. Если «ловит» лучше — дело в плохом кабеле. В принципе, можно работать и на «лапше», но недолго — она быстро придет в негодность. Лучше, конечно, поставить нормальный антенный кабель.

Для защиты места соединения кабеля и рамки антенны от атмосферных воздействий, места пайки можно замотать обычной изолентой. Но это способ ненадежный. Если не забудете, можно перед пайкой надеть несколько термоусадочных трубок, чтобы с их помощью заизолировать. Но самый надежный способ — залить все клеем или герметиком (они не должны проводить ток). В качестве «корпуса» можно использовать крышки на 5-6 литровые баллоны с водой, обычные пластиковые крыши на банки и т.п. В нужных местах делаем углубления — чтобы рамка «улеглась» в них, не забываем про вывод кабеля. Заливаем герметизирующим составом, ждем пока схватится. Все, ТВ антенна своими руками для приема цифрового телевидения готова.

Самодельная антенна двойной и тройной квадрат

Это узкополосная антенна, которая используется если принимать надо слабый сигнал. Она может даже помочь, если более слабый сигнал «забивается» более мощным. Единственный недостаток — нужна точная ориентация на источник. Эту же конструкцию можно сделать чтобы принимать цифровое телевидение.

Можно сделать и пять рамок — для более уверенного приема
Красить или лакировать нежелательно — ухудшается прием. Такое возможно только в непосредственной близости с передатчиком

Достоинства этой конструкции — прием будет уверенным даже на значительном расстоянии от ретранслятора. Только надо будет конкретно узнать частоту вещания, выдержать размеры рамок и согласующего устройства.

Конструкция и материалы

Делают ее из трубок или проволоки:

  • 1-5 ТВ канал МВ диапазона — трубки (медь, латунь, алюминий) диаметром 10-20 мм;
  • 6-12 ТВ канал МВ диапазона — трубки (медь, латунь, алюминий) 8-15 мм;
  • ДМВ диапазон — медная или латунная проволока диаметром 3-6 мм.

Антенна двойной квадрат представляет собой две рамки, соединенных двумя стрелами — верхней и нижней. Меньшая рамка — вибратор, большая — рефлектор. Антенна, состоящая из трех рамок дает больший коэффициент усиления. Третий, самый маленький, квадрат называется директор.

Верхняя стрела соединяет середины рамок, может быть сделана из металла. Нижняя — из изоляционного материала (текстолит, геттинакс, деревянная планка). Рамки должны устанавливаться так, чтобы их центры (точки пересечения диагоналей) находились на одной прямой. И направлена эта прямая должна быть на передатчик.

Активная рамка — вибратор — имеет разомкнутый контур. Ее концы прикручиваются к текстолитовой пластине размером 30*60 мм. Если сделаны рамки из трубки, края расплющивают, в ни проделывают отверстия и через них крепят нижнюю стрелу.

Мачта для этой антенны должна быть деревянной. Во всяком случае, верхняя ее часть. Причем деревянная часть должна начинаться на расстоянии не менее 1,5 метров от уровня рамок антенны.

Размеры

Все размеры для изготовления этой ТВ антенны своими руками приведены в таблицах. Первая таблица — для метрового диапазона, вторая — для дециметрового.

В трехрамочных антеннах расстояние между концами вибраторной (средней) рамки делают больше — 50 мм. Остальные размеры даны в таблицах.

Подключение активной рамки (вибратора) через короткозамкнутый шлейф

Так как рамка — симметричное устройство, а подключить ее надо к несимметричному коаксиальному антенному кабелю, необходимо согласующее устройство. В данном случае обычно используют симметритрующий короткозамкнутый шлейф. Его делают из отрезков антенного кабеля. Правый отрезок называют «шлейф», левый — «фидер». К месту соединения фидера и шлейфа крепится кабель, который идет к телевизору. Длинна отрезков выбирается исходя из длины волн принимаемого сигнала (смотрите таблицу).

Короткий отрезок провода (шлейф) разделывают с одного конца, удалив алюминиевый экран и скрутив оплетку в плотный жгут. Его центральный проводник можно срезать до изоляции, так как он не играет значения. Разделывают и фидер. Тут тоже удаляют алюминиевый экран и скручивают оплетку в жгут, но центральный проводник остается.

Дальнейшая сборка происходит так:

  • Оплетку шлейфа и центральный проводник фидера припаиваются к левому концу активной рамки (вибратору).
  • Оплетка фидера припаивается к правому концу вибратора.
  • Нижний конец шлейфа (оплетку) соединяют с оплеткой фидера с помощью жесткой металлической перемычки (можно использовать проволоку, только убедиться в хорошем контакте с оплеткой). Кроме электрического соединения она еще задает расстояние между участками согласующего устройства. Вместо металлической перемычки можно закрутить в жгут оплетку нижней части шлейфа (снять изоляцию на этом участке, удалить экран, свернуть в жгут). Для обеспечения хорошего контакта жгуты спаять между собой легкоплавким припоем.
  • Куски кабеля должны быть параллельны. Расстояние между ними — около 50 мм (возможны некоторые отклонения). Для фиксации расстояния используют фиксаторы из диэлектрического материала. Также можно прикрепить согласующее устройство к текстолитовой пластине, например.
  • Кабель, идущий к телевизору припаивается к нижней части фидера. Оплетка соединяется с оплеткой, центральный проводник — с центральным проводником. Для уменьшения количества соединений фидер и кабель к телевизору можно сделать единым. Только в том месте, где должен заканчиваться фидер надо снять изоляцию чтобы можно было установить перемычку.

Это согласующее устройство позволяет избавиться от помех, расплывшегося контура, второго размытого изображения. Особенно оно пригодиться на большом расстоянии от передатчика, когда сигнал будет забиваться помехами.

Другой вариант тройного квадрата

Чтобы не подключать короткозамкнутый шлейф, вибратор антенны тройной квадрат делают удлиненным. В этом случае можно подключать кабель напрямую к рамке как показано на рисунке. Только высота, на которой припаивается антенный провод, определяется в каждом случае индивидуально. После сборки антенны проводят «испытания». Подключают кабель к телевизору, центральный проводник и оплетку передвигают вверх/вниз, добиваясь лучшего изображения. В том положении, где картинка будет наиболее четкой, припаивают отводы антенного кабеля, места пайки изолируют. Положение может быть любым — от нижней перемычки, до места перехода на рамку.

Иногда одна антенна не дает требуемого эффекта. Сигнал получается слабым изображение — черно-белым. В этом случае стандартное решение — установить усилитель телевизионного сигнала.

Самая проста антенна для дачи — из металлических банок

Для изготовления этой телевизионной антенны кроме кабеля нужны будут только две алюминиевых или жестяных банки да кусок деревянной планки или пластиковой трубы. Банки должны быть металлическими. Можно брать пивные алюминиевые, можно — жестяные. Главное условие — чтобы стенки были ровными (не ребристыми).

Банки промывают и высушивают. Конец коаксиального провода разделывают — скрутив жилы оплетки и очистив центральную жилу от изоляции получают два проводника. Их крепят к банкам. Если умеете , можно припаять. Нет — берете два маленьких самореза с плоскими шляпками (можно «блошки» для гипсокартона), на концах проводников скручиваете петлю, в нее продеваете саморез с установленной на нем шайбой, прикручиваете к банке. Только перед этим надо металл банки очистить — сняв налет при помощи наждачной бумаги с тонким зерном.

Банки закрепляют на планке. Расстояние между ними подбирают индивидуально — по лучшей картинке. Не стоит надеяться на чудо — в нормальном качестве будет один-два канала, а может и нет… Зависит от положения ретранслятора, «чистоты» коридора, того, насколько правильно ориентирована антенна… Но как выход в аварийной ситуации — это отличный вариант.

Простая антенна для Wi-Fi из металлической банки

Антенну для приема сигнала Wi-Fi тоже можно сделать из подручных средств — из консервной банки. Эта ТВ антенна своими руками может быть собрана за пол часа. Это если все делать неторопясь. Банка должна быть из металла, с ровными стенками. Отлично подходят высокие и узкие консервные банки. Если ставить самодельную антенну будете на улице, найдите банку с пластиковой крышкой (как на фото). Кабель берут антенный, коаксиальный, сопротивлением 75 Ом.

Кроме банки и кабеля потребуется еще:

  • радиочастотный соединитель RF-N;
  • кусок медной или латунной проволоки диаметром 2 мм и длиной 40 мм;
  • кабель с гнездом, подходящим к Wi-Fi карте или адаптеру.

Передатчики Wi-Fi работают на частоте 2,4 ГГц с длинной волны 124 мм. Так вот, банку желательно выбрать такую, чтобы ее высота была не менее 3/4 длины волны. Для данного случая лучше чтобы она была больше 93 мм. Диаметр банки должен быть как можно ближе к половине длины волны — 62 мм для данного канала. Некоторые отклонения могут быть, но чем ближе к идеалу — тем лучше.

Размеры и сборка

При сборке в банке делают отверстие. Его надо расположить строго в нужной точке. Тогда сигнал будет усиливаться в несколько раз. Он зависит от диаметра выбранной банки. Все параметры приведены в таблице. Измеряете точно диаметр вашей банки, находите нужную строчку, имеете все нужные размеры.

D - диаметр Нижняя граница затухания Верхняя граница затухания Lg 1/4 Lg 3/4 Lg
73 мм 2407.236 3144.522 752.281 188.070 564.211
74 мм 2374.706 3102.028 534.688 133.672 401.016
75 мм 2343.043 3060.668 440.231 110.057 330.173
76 мм 2312.214 3020.396 384.708 96.177 288.531
77 мм 2282.185 2981.170 347.276 86.819 260.457
78 мм 2252.926 2942.950 319.958 79.989 239.968
79 мм 2224.408 2905.697 298.955 74.738 224.216
80 мм 2196.603 2869.376 282.204 070.551 211.653
81 мм 2169.485 2833.952 268.471 67.117 201.353
82 мм 2143.027 2799.391 256.972 64.243 192.729
83 мм 2117.208 2765.664 247.178 61.794 185.383
84 мм 2092.003 2732.739 238.719 59.679 179.039
85 мм 2067.391 2700.589 231.329 57.832 173.497
86 мм 2043.352 2669.187 224.810 56.202 168.607
87 мм 2019.865 2638.507 219.010 54.752 164.258
88 мм 1996.912 2608.524 213.813 53.453 160.360
89 мм 1974.475 2579.214 209.126 52.281 156.845
90 мм 1952.536 2550.556 204.876 51.219 153.657
91 мм 1931.080 2522.528 201.002 50.250 150.751
92 мм 1910.090 2495.110 197.456 49.364 148.092
93 мм 1889.551 2468.280 194.196 48.549 145.647
94 мм 1869.449 2442.022 191.188 47.797 143.391
95 мм 1849.771 2416.317 188.405 47.101 141.304
96 мм 1830.502 2391.147 185.821 46.455 139.365
97 мм 1811.631 2366.496 183.415 45.853 137.561
98 мм 1793.145 2342.348 181.169 45.292 135.877
99 мм 1775.033 2318.688 179.068 44.767 134.301

Порядок действий такой:


Можно обойтись и без RF соединителя, но с ним все намного проще — легче выставить излучатель вертикально вверх, подключить кабель, идущий к роутеру (маршрутизатору) или карте Wi-Fi.

Введение

Современное состояние техники связи радиодиапазона нельзя представить без спиральных антенн. Этот тип антенных систем используется благодаря своим характерным качеством: широкополосность, эллиптическая поляризация поля при малых габаритах и простой конструкции.

Спиральные антенны используются как самостоятельно, так и в качестве элементов антенной решётки, облучателя, например, зеркальной антенны, что к преимуществам спиральных антенн прибавляет и направленность.

Благодаря свойству эллиптической поляризации спиральные антенны нашли применение в техники космической связи, поскольку, в ряде случаев поляризация принимаемого сигнала может быть случайной, например, от объектов, положение которых в пространстве изменяется или может быть произвольным (эти объекты могут быть: самолёты, ракеты, спутники и т.д.)

В радиолокации антенны с вращающейся поляризацией позволяют уменьшить помехи создаваемые отражениями от осадков и от поверхности Земли, обусловленные тем, что направление вектора напряжённости электрического поля изменяется на обратное.

Поле с вращающейся поляризацией может применяться также при работе одной и той же антенны на передачу и приёма для увеличения развязки между каналами (при этом излучаемые и принимаемые поля должны иметь противоположное направление вращение).

В настоящие время спиральные антенны широко применяются в качестве антенн устройств личной связи. Значительная доля сотовых телефонов, транковых аппаратов, и мобильных радиостанций содержат в своей конструкции спиральные антенны, работающие в режиме перпендикулярной оси излучения.

В настоящие время я собираюсь исследовать диаграммы направленности плоских спиральных и цилиндрических СА, проанализировать их зависимость от длинны, проследить изменение направленности при изменении параметров антенны. Так же сравнить характеристики СА между собой и с другими типами антенн.

В начале каждого раздела берется определенный тип СА. И дальше будут идти результаты компьютерного анализа для разных режимов и типов. Все расчеты и построения графиков будут проведены в программе МаthCAD 2001i.

Предполагается включение в приложения программ простейшего расчета характеристик спиральной антенны.

Особенностью теории СА является сложность расчета поля антенны.

Из различных конструкций диапазонных антенн эллиптической поляризации наибольшее применение получила спиральная антенна, предложенная Краусом в 1947 году, и ее различные модификации.

Чтобы иметь возможность производить расчет перечисленных характеристик и параметров СА в широком интервале частот, необходимо установить зависимость фазовых скоростей волн тока, распространяющихся вдоль провода в спирали от геометрии и частоты возбуждающего спираль напряжения.

Расчетам фазовой скорости волны тока, распространяющейсявдоль провода спирали, и установлению зависимости фазовых скоростей от геометрии и частоты возбуждающего спираль напряжения, посвящено много работ, первая попытка решения этой задачи принадлежит Поклингтону, который еще в 1897 году, решив задачу об определении фазовой скорости электромагнитной волны, распространяющейся вдоль прямого провода и вдоль кольца, пытался рассмотреть вопрос о распространении электромагнитной волны вдоль спирали. Это удалось ему сделать в ряде частных случаев. Если не считать отдельных работ в этом направлении, связанных с распространением электромагнитной волны в катушках интерес к этой теме возник в конце 40-х годов в связи с широким применением спиралей в качестве замедляющих структур.


Глава 1. Типы спиральных антенн

1.1 Типы спиральных антенн

Среди различных типов широкополосных антенн важное место занимают разнообразные спиральные антенны. Спиральные антенны являются слабо- и средненаправленными широкополосными антеннами эллиптической и управляемой поляризации. Они применяются в качестве самостоятельных антенн, возбудителей волноводно-рупорных антенн эллиптической и управляемой поляризации, элементов антенных решеток.

Спиральные антенны – это антенны поверхностных волн. По виду направителя (замедляющей системы) и способу обеспечения работы в широком диапазоне частот их можно разделить на:

· цилиндрические регулярные, у которых геометрические параметры (шаг, радиус, диаметр провода) постоянны по всей длине и широкополосность обусловлена наличием дисперсии фазовой скорости;

· эквиугольные или частотно-независимые (конические, плоские);

· нерегулярные, к которым можно отнести все другие типы спиральных антенн.


Рис.1.1. 3 Нерегулярные спиральные антенны:

а – плоская с постоянным шагом намотки (архимедова);

б – коническая с постоянным шагом намотки;

в – на поверхности эллипсоида вращения с постоянным углом намотки.


Рис.1.1.4 Нерегулярная цилиндрическая спиральная антенна (с переменным шагом)

По числу заходов (ветвей) и способу их намотки спиральные антенны могут быть одно- и многозаходные с односторонней или двусторонней (встречной) намотки.

Отсутствие или наличие дополнительного замедления фазовой скорости и способ его реализации позволяют разделить спиральные антенны на следующие типы:

· из гладкого провода в однородном диэлектрике (воздухе),

· из провода, обладающего собственным замедлением (импедансные спиральные антенны),

· из провода с собственным замедлением и с диэлектриком (импедансные спирально-диэлектрические антенны).


Рис. 1.1.5 Спиральные антенны с дополнительным замедлением:

а – импедансная;

б,в – спирально-диэлектрическая;

г – импедансная спирально-диэлектрическая.

Одним из основных свойств спиральных антенн является их способность работать в широкой полосе частот с коэффициентом перекрытия от 1.5 до 10 и более. Все спиральные антенны – это антенны бегущей волны, но одно обстоятельство само по себе не обуславливает работы спиральных антенн в диапазоне частот с таким коэффициентом перекрытия.

Работа однозаходных регулярных цилиндрических спиральных антенн и их модификаций в диапазоне частот 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 цилиндрических 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.

Рис.1.1.6. Эквиугольные спиральные антенны с двусторонней (встречной) намоткой: а – коническая четырехзаходная; б – плоская трехзаходная.

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 (10:1 ...20:1).

Для получения однонаправленного излучения с эллиптической поляризацией в меньших диапазонах частот (2:1 ... 4:1) нет необходимости строго выдерживать форму антенны в соответствии с условием частотной независимости. Если при переходе от одной длины волны к другой форма и электрические размеры излучающего элемента повторяются хотя бы приближенно, антенна работает в диапазоне частот с меньшим постоянством характеристик и параметров. Следуя этому, можно построить очень широкое, не подчиняющееся точно принципу частотной независимости семейство антенн в виде одно- или многозаходных спиралей, навитых (по различным законам намотки) на различных поверхностях вращения. Иногда такие антенны называют квазичастотно-независимыми.

Квазичастотно-независимые спиральные антенны для получения управляемой и линейной поляризации также выполняются с двусторонней намоткой. Для получения управляемой, линейной и круговой поляризации могут также применяться различные (цилиндрические, эквиугольные и др.) двухзаходные спиральные антенны.

Рис.1.1.7. Квазичастотно-независимые спиральные антенны с двусторонней (встречной) намоткой и постоянным шагом: а – коническая четырехзаходная; б – полусферическая четырехзаходная; в – эллипсоидная четырехзаходная.


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.

2. Цель работы

Целью работы является изучение спиральной антенны ДЦМВ диапазона, что подразумевает собой расчет геометрических размеров антенны, ее характеристик излучения.

3. 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:

Рабочая длина волны в свободном пространстве;

Т q - волна тока в спирали q-го типа; q=0,1,2…. Целое число, указывающее, сколько периодов волны тока укладывается вдоль одного витка спирали;

V q - скорость распространения волны тока Т q по проводу спирали;

С - скорость света в свободном пространстве;

D - диаметр витка цилиндрической спирали.

Известно три режима работы цилиндрической спиральной антенны:

Когда длина витка спирали меньше 0.65 (при этом длина волны >5D), на ней преобладает волна Т 0 , характеризующаяся изменением фазы тока в пределах 360 0 на протяжении нескольких витков. Волна Т 0 от конца спирали приводит к образованию стоячих волн, которые и формируют диаграмму направленности антенны. Волна Т 1 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.

Если длина витка лежит в пределах от 0.75-1.3 (длина волны соответственно =4D-2.2D), на ней преобладает волна Т 1 , фазовая скорость которой меньше скорости света V 1 0.82 C. Волна Т 1 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 Т 0 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 Т 1 , являющаяся преобладающей, когда длина провода витка спирали примерно равна рабочей длине волны, называется основной.

При длине витка спирали, большей 1.5 (в этом случай <2D), на цилиндрической спирали помимо основного типа волны Т 1 возникают волны Т 2 , Т 3 и т.д. Волна Т 1 становится затухающей, в то время как Т 2 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.

5. Расчет параметров цилиндрической антенны

Параметрами цилиндрической спирали являются:

n - число витков спирали,

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.

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. 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 /2. Последнее следует из того, что токи в элементах витка, ориентированных параллельно оси X, сдвинуты по фазе на /2 по отношению к фазе токов в элементах, ориентированных параллельно оси Y. Равенство величин Ex и Ey и сдвиг фаз между ними, равный /2, обеспечивает круговую поляризацию. При длине витка, равной, 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. Кроме того, токи в этих элементах имеют противоположные направления, что эквивалентно дополнительному сдвигу фаз, равному. 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.

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:

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 2. 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. Для этого нужно, чтобы:

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:

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 0.75 до 1.3, где - волна, для которой подобрано оптимальное соотношение между L, C/V1, n и S.

Расчет антенны:

Исходные данные к расчету антенны

Рабочий диапазон длин волн: min=0.48 m

Ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности - 40 градусов

Расчет геометрических размеров антенны

Выберем среднее значение длины волны из заданного диапазона:

На основании экспериментальных исследований были получены следующие эмпирические формулы, справедливые для 5

Ширина диаграммы направленности по половинной мощности, выраженная в градусах:

Коэффициент направленного действия(КНД) в направлении ее оси:

Входное сопротивление

Шаг спирали можно найти из условия (5.2), если необходимо получить круговую поляризацию, либо из (5.4), для получения максимального КНД.

Пусть нам необходима круговая поляризация, тогда

шаг спирали равен

Удовлетворяет условию 12 0 <<15 0 , 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):

А значит число витков равно:

Для дальнейших расчетов округлим число n до целого: n=8, тогда

l=nS=0.986м(5.14)

Радиус спирали будет равен (см.рис.5.1):отсюда

Входное сопротивление антенны в режиме осевого излучения остается чисто активным, так как в этом режиме в проводе спирали устанавливается режим бегущей волны.

Пусть нам необходимо получить максимальный КНД, тогда

Чтобы излучение антенны было осевым примем длину витка спирали равной средней длине волны заданного диапазона:

шаг спирали равен

Угол намотки витков будет равен:

Удовлетворяет условию 12 0 <<15 0 , 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):

А значит число витков равно:

Для дальнейших расчетов округлим число n до целого: n=6, тогда

l=nS=0.846м(5.23)

Радиус спирали будет равен:

Длина провода для намотки спирали будет равна:

Коэффициент направленного действия:

Входное сопротивление

Для обоих случаев:

Диаметр диска экрана принимается равным (0.9-1.1) ср

Диаметр провода спирали выбирается порядка (0.03-0.05) ср

Расчет диаграммы направленности:

Приближенно можно считать, что амплитуда бегущей волны в спирали постоянна. Тогда диаграмма направленности антенны может быть представлена произведением диаграммы направленности одиночного витка на диаграмму направленности решетки из n ненаправленных излучателей, где n - число витков:

где - угол относительно оси спирали.

Это приближение справедливо тем больше, чем больше витков n имеет спираль и чем меньше шаговый угол.

Диаграмма направленности одиночного витка приближенно описывается выражением

Множитель решетки, как известно, равен

Применительно к спиральной антенне

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: min , ср, мах:

При получении круговой поляризации, будем иметь диаграммы направленности для трех значений длин волн: min, ср, мах:

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:

шаг спирали S = 0.053 м;

длина витка спирали = 0.192 м;

радиус спирали = 0.03 м;

длина спирали Lz = 0.567 м;

коэффициент направленного действия D = 30 дБ;

входное сопротивление антенны Rвх = 31.7 Ом;

число витков спирали N = 6 ;

угол намотки витка спирали = 16 градусов;

диаметр диска антенны = 0.652 м;

рабочая длина волны = 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

Использование: в антенной технике. Сущность изобретения: даны соотношения для определения диаметра проводника токопроводящей однозаходной цилиндрической спирали, числа ее витков, угла намотки и длины витка. 1 з. п. ф-лы, 3 ил. 1 табл.

Изобретение относится к антенной технике, а конкретно, к цилиндрическим спиральным многовитковым антеннам с эллиптической и круговой поляризацией излучения и может быть использовано в системах космической связи метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов длин волн, в частности, в отражателях зеркальных радиотелескопов, в фазированных антенных решетках и т.п. Современный уровень техники в данной области характеризуется широким использованием цилиндрических спиральных антенн осевого излучения. Классическим техническим решением в данной области является цилиндрическая спиральная антенна осевого излучения, состоящая из активной цилиндрической спирали, расположенной над металлическим экраном (см. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и излучающих элементов. Под ред. профессора Д. И.Воскресенского. М. Советское радио, 1972, с.241, рис. 9.5б). В такой антенне преобладает волна тока типа Т 1 , фазовая скорость которой меньше скорости света. В указанной антенне диаметр диска экрана принимают равным (0,9-11), а диаметр провода спирали (0,03-0,05) ср, где ср средняя длина волны заданного диапазона (см. упомянутый источник, с.256). Ширина диаграммы направленности антенны в силу указанных конструктивных особенностей и особенности распространения бегущей волны тока, рассчитанная по уровню половинной мощности (см. там же, с.248) обычно не превышает 60 о, что сужает область качественного приема-передачи сигналов, например, облучателей зеркальных антенн. Известные цилиндрические спиральные антенны, как правило, рассчитываются с учетом вышеприведенных рекомендаций, что накладывает указанные ограничения. Так известна спиральная антенна, содержащая однозаходную цилиндрическую спираль, установленную над металлическим экраном, коаксиальный волновод, внешний проводник которого соединен с экраном, а внутренний с началом однозаходной цилиндрической спирали (см. а.с. СССР N 1246196, кл. H 01 Q 11/88, опублик. 23.07.86). Имеющаяся в известной антенне опорная диэлектрическая труба с изменяющейся толщиной замедляет и уменьшает интенсивности бегущих волн тока, препятствуя тем самым увеличению ширины диаграммы направленности. А предлагаемый выбор традиционных соотношений для расчета конструкции, в частности, диаметра проводника спирали, не обеспечивают возможности существенного увеличения ширины диаграммы направленности. В известной спиральной антенне, содержащей активную спираль, соединенную с фидером и расположенную над металлическим экраном (см. а.с. СССР N 1626294, кл. H 01 Q 3/24, опублик. 7.02.92), возможно незначительное изменение, в том числе и увеличение, ширины диаграммы направленности (ДН) антенны за счет нагрева активного диэлектрика и изменения его диэлектрической проницаемости. Однако использование нагревающей диэлектрик токами низкой частоты спирали с одной стороны усложняет конструкцию антенны, а с другой приводит к искажению ДН, увеличению уровня боковых лепестков. Возможности расширения ДН при этом незначительны, поскольку выбор конструктивных элементов основан на традиционных подходах, а изменение диэлектрической проницаемости не может быть осуществлено в широких пределах, причем данный параметр не является определяющим для конструкции и ее характеристик, в частности, ширины ДН. Известно, что ширина ДН по уровню половинной мощности при фиксированной длине волны определяется в основном длиной витка спирали и шагом цилиндрической спирали (см. например, упомянутую книгу под ред. Д.И.Воскресенского, с. 248). Влияние других конструктивных параметров цилиндрической спирали, в частности, толщины проводника слабо исследовано. Предполагается, что проводник должен быть достаточно тонким, чтобы не учитывалось влияние его толщины на расчетные соотношения, и в то же время проводник должен быть жестким и прочным, чтобы не нарушать целостность конструкции, сохранять ее форму и прочность. Так в статье К. К. С.Джемвала и других "Анализ конструкции спиральных антенн с оптимизированным усилением для полосы частот в Х-диапазоне" рекомендуется диаметр проводника спирали выбирать равным 0,017), где -длина волны (см. K.K.S.Jamwal and Renu Vakil. Design analysis of gain-optimizedhelix antennas for X-band freguencies. // Microwave Jornal, 1985, september, р. 177-183). Для многовитковых спиральных цилиндрических антенн дециметрового диапазона минимальный диаметр проводника в долях длины волны может быть выбран 0,005 . Цилиндрическая спиральная антенна, в которой используется проводник указанной толщины, выполнена в виде цилиндрической спирали, подключенной к питающему фидеру и размещенной над отражающим экраном. Минимальный рекомендуемый диаметр проводника спирали является решающим признаком при выборе указанной цилиндрической спиральной антенны в качестве прототипа. Известная цилиндрическая спиральная антенна является многовитковой с числом витков N больше 6 (6N15), и углом намотки (подъема витка) , изменяющемся в пределах 12 о 15 о, при длине витка, близкой к и является антенной осевого излучения. Проведенный в статье анализ известной антенны свидетельствует о том, что ширина ее ДН не превышает 60 о. При этом форма диаграммы направленности существенно отличается от секторного типа, близкого по виду к диаграмме направленности изотропного излучателя, что в ряде случаев предпочтительней в технике связи. Данным техническим решением впервые решена и поставлена задача создания цилиндрической спиральной антенны осевого излучения с круговой и эллиптической поляризацией излучения за счет использования сверхтонких проводников в цилиндрической спирали. Основной технический результат достигаемый от использования предлагаемого решения заключается в увеличении ширины ДН антенны по уровню половинной мощности. Дополнительный технический результат предлагаемой антенны заключается в получении ДН секторного вида, т.е. близкой по форме переднего фронта к диаграмме направленности изотропного излучателя. Достижение основного технического результата обеспечивается тем, что цилиндрическая спиральная антенна, содержащая токопроводящую однозаходную цилиндрическую спираль, соединенную с питающим фидером и расположенную над отражающим экраном, имеет максимальный поперечный диаметр проводника d спирали, удовлетворяющий соотношению110 -7 d110 -4 ,где - длина волны. Достижение дополнительного технического результата обеспечивается тем, что цилиндрическая спиральная антенна имеет следующие параметры: 3N8,13 o 14,5 o ,0,95L 1,1, 110 -6 d110 -5 где d, N, , L соответственно диаметр проводника, число витков, угол намотки, длина витков цилиндрической спирали, а длина волны. В предлагаемой цилиндрической спиральной антенне реализован режим осевого излучения с эллиптической поляризацией излучения при достижении максимально широкой диаграммы направленности. Впервые теоретически и экспериментально установлено, что использование сверхтонких проводников цилиндрической спирали позволяет существенно увеличить ширину ДН по половинной мощности в диапазоне длин волн от метрового до сантиметрового включительно. Установлено, что для многовитковых цилиндрических спиралей с числом витков не менее 3, рассчитанных для длины волны тока типа Т 1 использование сверхтонких проводников с диаметром 110 -4 и менее приводит к расширению ДН антенны. Причем для диапазона 3N15,12 o 15 o ДН сохраняет осевой вид без существенных искажений формы. Для крайних значений N(N 1 =3,N к =15),( 1 =12 o , к =15 о) и L 1 ширина ДН по сравнению с прототипом увеличивается на 25-40% а изменение при этом L от 0,7 до 1,4 изменяет ширину ДН на 10-12% Приводимая таблица иллюстрирует изменение ширины ДН цилиндрической антенны по уровню половинной мощности 2 0,5 для N 38, d=1314,5 o ; L (0,951,1) от диаметра d проводника цилиндрической спирали, выраженного в долях длины волны, при этом коэффициент эллиптичности излучения не менее 0,5. На фиг.1 схематически изображена предлагаемая цилиндрическая спиральная антенна; на фиг. 2 диаграмма направленности антенны в сферической системе координат (кривая 1) при N 6, = 14 о, L=1,d=110 -5 на фиг.3 зависимость коэффициента эллиптичности от угла наблюдения (кривая 2) в декартовой системе координат для антенны с указанными на фиг.2 параметрами. Следует иметь в виду, что сектораня форма диаграммы направленности, изображенная на фиг. 2 сохраняется для параметров N,, L, d, приведенных в таблице в диапазоне диаметров d=(110 -5 110 -6) При других значениях d происходит искривление фронта ДН и вытягивание его вдоль оси. Предлагаемая цилиндрическая спиральная антенна (см. фиг.1) содержит однозаходную цилиндрическую спираль 1 из металлического проводника диаметром d= (110 -4 -110 -7), соединенную с центральным проводником питающего фидера 2, металлический экран 3, гальванически связанный с обмоткой фидера. Проводник с целью сохранения жесткости конструкции приклеен к диэлектрическому цилиндрическому радиопрозрачному каркасу (не показан). Предлагаемая антенна работает следующим образом. В запитываемой через фидер 2 цилиндрической спирали возбуждается бегущая волна тока типа Т 1 спадающей амплитуды. Амплитуда бегущей волны тока до конца второго витка равномерно уменьшается примерно в 2,5 раза, а области от конца второго витка до 0,5 от конца спирали уменьшается примерно в 3 раза. На расстоянии 0,5 от конца спирали возникает стоячая волна, амплитуда которой не превосходит амплитуду тока на конце второго витка. При этом вдоль всего проводника цилиндрической спирали от точки возбуждения до 0,5 от свободного конца волна тока распространяется с фазовой скоростью, почти равной скорости света. Бегущая волна тока и стоячая волна тока излучают электромагнитные волны, которые, складываясь в дальней зоне, формируют диаграмму направленности антенны. Благодаря спадающему характеру и распространению бегущей волны тока со скоростью света происходит формирование более широкой ДН, в частности ДН секторного вида. Согласно известным условиям Хансена-Вудъярда (см. например, Уолтер К. Х. Антенны бегущей волны. Под ред. А.Ф.Чаплина, М. Энергия, 1970, с.448) для формирования остронаправленного излучения необходимо, чтобы в антенне бегущей волны существовала замедленная волна, т.е. присутствовал набег фаз. А в предлагаемом случае это условие не выполняется, поскольку в ЦС вдоль сверхтонкого проводника распространяется волна с фазовой скоростью, почти равной скорости света. Это и приводит при определенном соотношении параметров антенны к формированию ДН в виде сектора с почти равномерным излучением. Экспериментально предлагаемая цилиндрическая спиральная антенна проверена для ср 1,5 м. Величина металлического экрана при этом составляла 1,1 ср. Широкополосность полученной антенны 10%



Предыдущая статья: Следующая статья:

© 2015 .
О сайте | Контакты
| Карта сайта