Методы расчета волноводно-щелевых антенн 8 страница

Из сказанного следует, что ширина диаграммы на­правленности у конических спиралей определяется не общим числом витков (или полной длиной спирали), а лишь числом витков в группе с волной Т₁ (длиной это­го участка спирали). Излучение остальных витков слабо влияет на форму диаграммы направленности.

Поскольку цилиндрическая спираль сохраняет режим осевого излучения при изменении длины волны от 0,75λ₀ до 1,3λ₀, где λ₀ — длина волны, на которую рассчитыва­ется антенна, то считается, что у конической спирали в группе с волной Т₁ находятся те витки, длина которых составляет от от 0,75λ до 1,3λ,где λ — любая длина волны рабочего диапазона волн конической спиральной ан­тенны.

Хотя вышеприведенные рассуждения, касающиеся работы конической спиралькой антенны, недостаточно строги, они дают простой метод расчета этой антенны,обеспечивающий удовлетворительное совпадение с экс­периментом.

Плоские спиральные антенны выполняются из спира­лей двух видов: равноугольных логарифмических (см. рис. 9,3,а) и архимедовых (см. рис. 9,3,б). Ветви спиралей могут быть либо проводниками, расположен­ными на диэлектрической подложке, либо выполняться в виде щелей в проводящей плоскости. Обычно плоские спирали имеют две ветви и в зависимости от фазовых соотношений в точке возбуждения могут работать в двух режимах: осевом и ненаправленного излучения.

Если две ветви спирали возбуждаются в противофазе, то возникает режим осевого излучения, при котором главный лепесток диаграммы направленности направлен вдоль оси спирали. Для получения противофазного воз­буждения питающий (коаксиальный кабель проклады­вают по одной ветви антенны, электрически соединяя его оболочку с этой ветвью, и замыкают внутренний проводник на вторую ветвь в вершине спирали. Для улучшения симметрии возбуждения на второй ветви также прокладывают коаксиальный кабель, у которого накоротко соединяют центральную жилу с оболочкой.

Режим ненаправленного излучения, при котором ноле максимально в плоскости спирали, имеет место при синфазном возбуждении ее ветвей, когда нейтральный проводник питающего кабеля подключается к точке соединения обеих ветвей спирали, а внешняя оболочка соединяется с экраном.

Объяснение работы плоской спиральной антенны, вы­полненной из архимедовой спирали (см. рис. 9.3,б), ба­зируется на утверждении [Л 1], что ее излучение определяется в основном той полосой на ее поверхности, где токи в смежных элементах спирали почти синфазны. Та­кая полоса имеется как при противофазном, так и при синфазном питании за счет геометрии спирали, т. е. за счет того, что длина каждого последующего витка воз­растает.

При противофазном возбуждении ветвей спирали первая такая полоса (основная) имеет место на витках, периметр которых равен одной длине волны. При син­фазном возбуждении ветвей условие синфазности токов в смежных элементах выполняется на витках, периметр которых приблизительно равен двум длинам волн.

За пределами основной излучающей полосы тока су­ществуют дополнительные полосы, периметры которых кратны периметру основной полосы. Однако экспери­ментальные данные показывают, что эти гармониковые полосы излучают лишь малую часть энергии.

При изменении длины волны основная излучающая полоса автоматически перемещается вдоль спирали, сохраняя постоянство своей электрической длины, вслед­ствие чего диаграмма направленности антенны оказыва­ется частотно независимой.

Частотная независимость параметров плоской спи­ральной антенны, выполненной на основе равноуголь­ной логарифмической спирали, основана на неизменности ее характеристических линейных размеров, выра­женных в долях длины волны. Такая неизменность возможна лишь в том случае, когда конфигурация ан­тенны полностью определяется только углами.

Детальное исследование показало [Л 2], что ампли­туда возбуждающего тока быстро уменьшается от вер­шины равноугольной логарифмической спирали вдоль ее ветвей со скоростью, являющейся примерно постоянной функцией электрической длины ветви. В результате с уменьшением рабочей длины волны уменьшается актив­ная длина ветви, что приводит к постоянству раскрыва антенны, выраженного в долях длин волн, и к частотной независимости ее характеристик.

Плоская спиральная антенна обладает более чем двадцатикратным перекрытием по рабочему диапазону волн. Верхняя (высокочастотная) граничная длина вол­ны определяется диаметром срезанной части у вершины спирали, а нижняя (низкочастотная) - длиной ветви (следовательно, максимальным диаметром) антенны.

9.2. Расчетные соотношения

В силу ряда причин (отличие по ширине диаграмм направленности в главных плоскостях, отсутствие пол­ных расчетных соотношений, необходимость тщательной экспериментальной отработки и др.) плоские спиральные антенны нашли ограниченное применение. Некоторые данные по расчету этих антенн содержатся в [Л1].

Широкое практическое применение получили однозаходные цилиндрические и конические спиральные ан­тенны с односторонним осевым излучением. Поэтому ниже рассматриваются только такие антенны.

Для создания одностороннего излучения спираль помещают перед металлическим экраном или в отража­ющей металлической полости. Внутренний провод питаю­щей коаксиальной линии в этом случае присоединяется к спирали, а наружняя оболочка — к экрану или к отра­жающей полости.

Обозначим: l — осевая длина спирали; S — шаг спи­рали (расстояние между центрами соседних витков); L — длина витка спирали.