Частотно независимые антенны: двухзаходная спираль Архимеда, конструкции частотно не зависимых антенн. Автоматическая отсечка излучающих токов, диаграммы направленности.

Функционирование данного вида антенн основано на принципе электродинамического подобия, утверждающего, что при одновременном изменении длины волны и всех геометрических размеров антенны пропорционально масштабному множителю, характеристики антенны остаются неизменными (ДН, КНД, усиление антенны G, z_ВХ и др.). Рассмотрим в качестве примера антенну в виде двухзаходной спирали Архимеда.

r=аj - радиус, j-угол; а - скорость развертывания спирали.

Пусть точки Р и Q находятся на равных расстояниях вдоль проводов от входных зажимов a и b. Тогда . Расстояние между проводниками Dr<<r, то можно считать что Q £ р' = pr – это разность длин двух проводников спирали, не зависит от числа витков, если спираль намотана равномерно. Периметр витка на котором находится Р равен 2p. В случае, если r=l/2p =1/b, то расстояние Qp'=l/2. Если в спирали имеет место бегущая волна токаи ветви в спирали в точках а и b возбуждаются противофазно, то разность фаз тока в точках Р и Р' двухпроводной спиральной линии равна: p+2p(l/2l)=2p, где первый член p- сдвиг фаз в точках а и b, второй член - сдвиг фаз за счет разных расстояний по спирали до точек р и р'. Таким образом, токи в точках р и p' синфазны, и излучение максимально в направлении нормали к плоскости спирали. Синфазными будут также токи в точках диаметрально противоположных относительно центра (точка О). Поскольку такие же рассуждения можно провести относительно любых точек, находящихся на расстоянии r=l/2p от центра, то заключаем, что главным образом будут излучать витки, расположенные в пределах кольца, средний периметр которого равен длине волны l. Эта область получила название активной области антенны.

Т.О., при изменении длины волны активная область перемещается, сохраняя относительные размеры, вследствие чего основные характеристики антенны остаются неизменными. В большинстве случаев такие антенны используются в сантиметровом диапазоне, ДН антенн широкая. Если ДН широкая, то КНД минимален, входное сопротивление составляет порядка сотен Ом.

При конструировании ряда частотно-независимых антенн важную роль играет принцип самодополнительности, характеризующий свойства бесконечно протяженных антенн, состоящих из металлических проводников произвольной формы и идентичных им по форме щелей магнитных вибраторов.

Т.к. структура антенны под рис. а) бесконечно протяженная, то ее ДН не зависит от частоты, ее входное сопротивление z_ВХ=188,5 =60p Ом (на любой частоте), ограничиваться будет размерами антенны по низкой частоте.

Замечательной особенностью антенны в виде равноугольных логарифмических спиралей под рисунком б) является автоматическая отсечка излучающих токов. Это явление состоит в том, что амплитуды токов, возникающих в спиральных плечах резко уменьшаются на 2 и более порядка после прохождения витка спирали, периметр которого примерно равен длине волны l. Остающаяся невозбужденная внешняя часть может быть отброшена и это почти не сказывается на ДН антенны и входном сопротивлении.

Возможны 2 режима возбуждения антенны синфазное и противофазное. Плечи соединяются между собой и подсоединяются к центральной жиле.

Для расчета ДН используются следующие формулы:

;

;

где J_n±1(x)- функции Бесселя, причем n=1 - противофазное возбуждение, n=2 -синфазное возбуждение спирали.

а) противофазное возбуждение спирали б) синфазное возбуждение спирали

Полные пространственные диаграммы направленности имеют вид тел вращения вокруг оси z.