Спиральная антенна

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Восточно-Казахстанский государственный технический университет имени Д.М. Серикбаева

Факультет "Информационных технологий и энергетики"

Кафедра "Приборостроение и автоматизация технологических процессов"

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Антенно-фидерные устройства»

на тему: "Спиральная антенна"

Выполнила: студентка гр.14-РТЗ-2

Бекназарова С.Е

Принял старший преподаватель кафедры «ПиАТП»

В.Черниговец

Усть-Каменогорск 2014



Содержание

Введение

1. Историческая справка

2. Назначение спиральной антенны

3. Типы спиральных антенн

4. Свойства спиральных антенн и виды волн в них

5. Широкополосность антенн

6. Моделирование антенн

7. Преимущества и недостатки спиральной антенны

8. Спиральные антенны в сотовых телефонах

Список литературы



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.



1. Историческая справка

спиральный антенна радиодиапазон связь

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

Расчетам фазовой скорости волны тока, распространяющейся вдоль 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.

2. Назначение спиральных антенн

Про спиральные антенны известно довольно дано и все благодаря их непревзойденным характеристикам. Среди всех типов направленных антенн имеют самый большой показатель по соотношению усиление/размеры и в некоторых областях (связь с космическими аппаратами) просто незаменимы. Позволяют легко получить круговую поляризацию. Конструктивно нечувствительны к погрешностям изготовления, имеют широкую полосу, более 10% и круговую поляризацию. Не вдаваясь в теорию попробуем описать конструкцию доступную для повторения в домашних условиях.

Особенность спиральных антенн их высокое входное сопротивление. Есть масса вариантов как привести его к 50 Ом самые распространенные случаи соединить несколько параллельно, применить четверть волновой трансформатор или запитать не по центру а по окружности и первую четверть витка сделать очень широкой (вариант четвертьволновой линии над экраном) так сделано и здесь, ширина полоски согласования 2.5 см.

3. Типы спиральных антенн

Среди различных типов широкополосных антенн важное место занимают разнообразные спиральные антенны.

Спиральные антенны являются слабо- и сред ненаправленными 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 Цилиндрические регулярные спиральные антенны: а - однозаходная с односторонней намоткой; б - многозаходная (четырехзаходная) с односторонней намоткой; в - многозаходная (четырехзаходная) с двусторонней (встречной) намоткой

Рис. 2 Эквиугольные спиральные антенны: а - коническая ; б - плоская

Рис. 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. 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. 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. 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. 7 Квазичастотно-независимые спиральные антенны с двусторонней (встречной) намоткой и постоянным шагом: а - коническая четырехзаходная; б - полусферическая четырехзаходная; в - эллипсоидная четырехзаходная



Рис. 8 Двухзаходные спиральные антенны: а - цилиндрическая однозаходная; б - эквиугольные коническая двузаходная

Спиральные антенны позволяют формировать однонаправленные диаграммы направленности с шириной 2и0,5?(25…180)0 , тороидальные с шириной 2и0,5 ?(45…90)0 и воронковые с шириной 2и0,5 ?(40…60)0. Поляризация излучения может быть эллиптической, близкой к круговой, управляемой, линейной. В большинстве случаев основными требованиями к спиральным антеннам являются способность работать в широком диапазоне частот с коэффициентом перекрытия обычно от 1,5 до 10 и в отдельных случаях больше, обеспечение эллептической, близкой к круговой, или управляемой поляризации, а не стабильность характеристик и параметров. Поэтому часто допускаются весьма значительные изменения характеристик и параметров в диапазоне частот: изменения ширины диаграммы направленности в полтора-два раза, увеличения коэффициента стоячей волны (КСВ) в отдельных точках диапазона до 1,5…2. Требования к уровню боковых лепестков и стабильности направления главного максимума также бывают не жесткими. Очень часто допускается уровень боковых лепестков, достигающий 30% по полю, и изменение направления главного максимума до 10% от 2и0 0,5.

Основным элементом всех спиральных антенн является проволочный или ленточный виток длиной, приблизительно равной л (диаметр ~ л/р), обтекаемый бегущей волной тока. В подавляющем большинстве случаев спиральные антенны возбуждаются коаксиальной линией. Поэтому по частотному диапазону область их применения на длинных волнах ограничена предельно допустимыми габаритами, а на коротких-достижимой точностью изготовления и технологичностью конструкции, высокочастотным пределом рабочего диапазона коаксиальных кабелей и возможностью конструктивной реализации нужной формы перехода от питающего коаксиального фидера к ветвям спиральной структуры.

Особенностью спиральных антенн является то, что они изготавливаются из тонких проводников круглого сечения или тонких металлических лент. Концентрация поля на кромках проводящих поверхностей оказывается значительной, а зазоры между соседними витками в той части антенны, которая работает на высокочастотном краю диапазона, невелики. Средний периметр сечения коаксиального кабеля, возбуждающего спиральную антенну, работающую на СВЧ, для исключения высших типов волн должен быть меньше л, т.е. такие кабели имеют невысокую электрическую прочность. Следовательно, в диапазоне СВЧ спиральные антенны могут работать при малых и средних уровнях мощности (Р?100 кВт).

Спиральная антенна любого типа (регулярная, эквиугольная, нерегулярная) может быть сконструирована для работы в полосе частот с коэффициентом перекрытия от 1,5 до 5 и более. При этом надо иметь в виду, что у конических и плоских эквиугольных спиральных антенн, частотно-независимых в рабочем диапазоне частот, верхняя граница которого приближенно определяется поперечными размерами структуры у вершины, а нижняя - поперечными размерами структурами у основания, диаграммы направленности и входное сопротивление изменяются периодически как функция логарифма частоты, хотя и в небольших пределах.

Цилиндрические, плоские и конические спиральные антенны с постоянным шагом, а также спиральные антенны на поверхности различных тел вращения (кроме эквиугольных конических) не являются частотно-независимыми. Поэтому в рабочем диапазоне частот их диаграммы направленности изменяются более-менее монотонно. У цилиндрических спиральных антенн с увеличением частоты диаграмма направленности сужается, а у плоских и конических с постоянным шагом-несколько расширяется. У квазичастотно-независимых спиральных антенн изменения характеристик и параметров от частоты может быть различными в зависимости от закона изменения угла намотки по длине антенны и формы поверхности, на которой она намотана.

Из перечисленных типов антенн большей направленностью обладают цилиндрические спиральные и зигзагообразные антенны ( 2и0,5 ?300 , КНД?25). Направленность частотно-независимых и квазичастотно-независимых антенн меньше ( 2и0,5 ?50…800 ;КНД?2…12).

Различные типы спиральных антенн отличаются и по габаритам. Минимальные поперечные габариты имеют цилиндрические спиральные антенны, особенно-импедансные спирально-диэлектрические (2б<лср /р). Продольные электрические размеры таких антенн определяются требуемой направленностью. Минимальные продольные габариты имеют плоские спиральные антенны (L?0,25лмакс ). Максимальные поперечные размеры этих антенн составляют 2б?(0,35…0,6)лмакс.

Конические эквиугольные спиральные антенны, особенно многозаходные из расширяющихся лент, характеризуются наибольшей стабильностью характеристик в рабочем диапазоне частот, но и при наибольших габаритах: наибольший поперечный размер 2б?0,4лмакс ; продольный размер в зависимости от требуемого коэффициента перекрытия диапазона и направленности лежит в пределах L?(1...4)лмакс. Коническая спиральная антенна (рис.11) состоит из двух металлических полосок, расположенных на поверхности конуса и=и0 , конфигурация которых дается уравнением

и=1800



Рис. 9 Коническая спиральная антенна

Угол  между радиусом и касательной к спирали равен arctgа. Таким образом, плоская спираль есть частный случай конической при и = 900.

В случае конуса можно говорить о самодополнительной структуре, имея в виду идентичность участков поверхности конуса, покрытых полоской и свободных от нее. Положение тех и других отличается на угол поворота 900; иначе говоря, ширина ветви д на рис.1 равна 900. Оказывается, что самодополнительная структура обеспечивает наилучшую диаграмму направленности. Переход к конической форме позволяет выявить одну важную особенность спиральных антенн, которая не могла быть обнаружена при плоской форме спирали: излучение происходит за счет волны, перемещающейся внутрь по направлению к внешней спирали.

4. Свойства спиральных антенн и виды волн в них

Спиральные антенны являются слабо - и средне- направленными широкополосными антеннами эллиптической и управляемой поляризации. Они применяются в качестве самостоятельных антенн, облучателей зеркальных и линзовых антенн, возбудителей волноводно-рупорпых антенн эллиптической и управляемой поляризации, элементов антенных решеток.

Спиральные антенны - это антенны поверхностных волн. По виду спирали ''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, у которых параметры есть функции координаты вдоль длинны спирали.

Спиральная антенна - это антенна бегущей волны. Волна тока, распространяясь от места возбуждения вдоль провода спирали, доходит до его свободного конца и отражается в обратном направлении. Подбором геометрии спирали и частоты питающего напряжения можно добиться быстрого спада как падающей, так и отраженной волн тока рис.10.

Рис. 10

Эти волны интерферируют друг с другом. Так как на большей части провода спирали амплитуда падающей волны значительно превосходит амплитуду волны отраженной, то в результате интерференции распределение амплитуды тока вдоль спирали будет примерно таким, как показано на рис 11



Рис. 11

В этом случае на большей части провода спирали амплитуда тока будет почти постоянной, а фаза будет изменяться почти по линейному закону т.е. мы можем считать, что на большей части провода спирали имеет место бегущая волна тока. Отсутствие заметной отраженной волны тока в некотором интервале частот обеспечивает достаточно хорошее постоянство входного сопротивления и характеристик направленности в этом интервале.

Но указанными свойствами спиральная антенна обладает только при определенных условиях.

Распространяющаяся вдоль провода спирали бегущая волна тока не может вызвать внутри спирали электромагнитных волн типа H или E, так как это имеет место в волноводе со сплошными проводящими стенками. Благодаря более сложным анизотропным граничным условиям на образующей поверхности спирали указанная волна тока возбуждает внутри спирали электромагнитные волны более сложной структуры. Эти волны принято обозначать символом- Tn где n--число длин волн тока, укладывающихся на окружности витка цилиндра, поверхность которого является образующей спирали.



5. Широкополосность антенн

Как известно, одной из важных характеристик антенны является ее полоса пропускания, т. е. полоса частот, в пределах которой обеспечивается передача (прием) без существенных искажений всего спектра частот передаваемого (принимаемого) сигнала.

В основном ширина полосы пропускания антенны определяется зависимостью ее входного сопротивления от частоты. Эта зависимость приводит к изменению величины относительной амплитуды и фазы напряженности излучаемого поля на. различных частотах спектра сигнала, что при приеме вызывает искажения последнего. При питании антенны фидером изменение ее входного сопротивления вызывает рассогласование, т.е. появление отраженных волн в фидере, что приводит к нелинейности фазовой характеристики фидера и к искажению формы передаваемого или принимаемого сигнала. Особенно существенны искажения широкополосных сигналов (телевидение, многоканальная радиорелейная телефонная связь).

В идеальном случае в требуемой полосе частот активная составляющая входного сопротивления- Rвх постоянна и реактивная составляющая - Xвх равна нулю. Добиться этого в достаточно широкой полосе частот принципиально невозможно, поэтому устанавливают определенные допуски на изменение Rвх и Xвх зависящие от характера передаваемого или принимаемого сигнала.

Зависимость направленных свойств антенны от частоты также влияет на относительную величину напряженности поля в точке приема на различных частотах спектра передаваемого сигнала, что также может вызвать искажение этого сигнала. Однако, обычно, в пределах требуемой полосы пропускания направленные свойства антенны изменяются мало.

Диапазоном использования - (рабочим диапазоном) антенны будем называть диапазон частот, в пределах которого антена удовлетворяет определенным техническим требованиям. Ширина рабочего диапазона, а также требования, предъявляемые в нем к антенне, могут быть различными. Например, в случае длинноволновых и средневолновых антенн кпд их в рабочем диапазоне не должен быть ниже определенной величины, должна быть обеспечена возможность передачи заданной мощности, на различных рабочих волнах заданного диапазона должна быть обеспечена необходимая полоса пропускания. В случае коротковолновых антенн направленные свойства во всем рабочем диапазоне должны оставаться приемлемыми, входное сопротивление должно изменяться в допустимых пределах, чтобы можно было переходить с одной рабочей волны на другую без перестройки антенны и т. д.

Допустимые изменения входного сопротивления антенны в заданном диапазоне волн в основном определяются необходимостью обеспечения нормальных условий работы генератора, приемлемого кпд фидера и отсутствия перенапряжений в фидере. Уменьшение зависимости входного сопротивления от частоты одновременно приводит к расширению рабочего диапазона антенны и к расширению её полосы пропускания. В заданном рабочем диапазоне требование к направленным свойствам антенны могут быть различными. В некоторых случаях основным может являться постоянство направления максимального излучения, в других - уровень боковых лепестков, в третьих - ширина главного лепестка др.

С точки зрения рабочего диапазона современные антенны можно разбить на:

а) узкополосные (настроенные), основные параметры, которых (входное сопротивление, ширина диаграммы направленности, КНД и др.) сильно зависят от частоты, вследствие чего эти антенны могут работать без перестройки только в узкой полосе частот (относительная полоса частот составляет менее 10%);

б) широкодиапазонные, работающие без перестройки в широком диапазоне частот (от десяти процентов и выше), причем их основные параметры зависят от частоты, но значительно слабее, чем у настроенных антенн;

в) частотно-независимые, основные параметры, которых теоретически не зависят от частоты.

Построение частотно-независимых антенн основано на принципе электродинамического подобия, утверждающего, что при одновременном изменении длины волны и всех геометрических размеров антенны в одинаковом отношении (величина этого отношения называется масштабным множителем) характеристики антенны (диаграмма направленности, входное сопротивление и др.) остаются неизменными.

Во всех частотно-независимых антеннах на данной длине волны в излучении участвует только часть антенны (активная область). При изменении длины волны эта область без изменения своих относительных размеров (размеров в долях волны) перемещается вдоль антенны.

Спиральные антенны относятся к широкодиапазонным и даже к частотно-независимым антеннам (квазичастотно - независимым).

6. Моделирование антенн

Спиральные антенны относятся к классу антенн бегущей волны. Они представляют собой металлическую спираль, питаемую коаксиальной линией. 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 спираль перед экраном или в отражающей полости. Существуют цилиндрические, конические и плоские спиральные антенны. Вид спиральной антенны может быть выбран по заданному диапазону волн. Если ширина диапазона не превышает 50%, то берется цилиндрическая спираль, коническая спираль обеспечивает диапазон в два раза шире, чем цилиндрическая. Плоские спиральные антенны обладают двадцатикратным перекрытием по рабочему диапазону. В радиолюбительской практике, в диапазоне УКВ, наибольший интерес представляет собой цилиндрическая спиральная антенна с круговой поляризацией и большим коэффициентом усиления. Если мы принимаем сигнал с линейной поляризацией (вертикальной или горизонтальной) на антенну с круговой поляризацией, теряется три децибела, но при этом намного уменьшается глубина замираний. При пере отражении сигнала на длинных трассах, мы не знаем с какой поляризацией (или с каким наклоном) приходит сигнал в точку приема, для антенны с круговой поляризацией это не будет иметь никакого значения. Вообще можно отметить, что изготовление в домашних условиях антенн с большим коэффициентом усиления, типа ”волновой канал”, сопряжено с рядом трудностей. Даже имея хороший парк приборов, трудно добиться расчетных значений. Необходимо строго выдерживать линейные размеры. При настройке обычно корректируют не более двух - трех элементов, расположенных рядом с активным вибратором. Расчет и настройка антенн типа “волновой канал” прост только для малого количества элементов. Параметры антенны могут значительно изменяться при небольшом изменении размеров элементов и их взаимного расположения. С ростом числа элементов, количество операций при настройке растет в геометрической прогрессии. Большое количество элементов сужает полосу пропускания антенны, уменьшает входное сопротивление. Увеличение реактивного сопротивления директоров по мере увеличения их числа приводит к уменьшению амплитуд токов в них. При этом особенно сильно уменьшаются токи в директорах, отстоящих далеко от активного вибратора. Поэтому сужение диаграммы направленности директорной антенны с увеличением ее длины происходит значительно медленнее, чем у антенны бегущей волны, элементы которой возбуждаются с одинаковой интенсивностью. По сравнению с директорными антеннами у спиральных антенн размеры являются менее критичными. Не критичность спиральных антенн к точности изготовления - большое их преимущество. При одном и том же усилении, спиральная антенна имеет меньшие размеры, чем антенна волновой канал. Так как полоса пропускания спиральной антенны, намного больше, чем любой любительский диапазон, нет необходимости даже измерять резонансную частоту антенны, достаточно измерить только входное сопротивление и рассчитать под него согласующее устройство, для оптимального согласования антенны с фидером питания.

Рис. 12 Цилиндрическая спиральная антенна

Следует иметь в виду, что спиральные антенны имеют излучение с вращающейся поляризацией. При работе на передачу спиральная антенна излучает поле с вращающейся поляризацией, право или лево поляризованное, в зависимости от направления намотки спирали. При работе на прием она принимает либо поле вращающейся поляризации с направлением вращения, как и при передаче, либо поле любой линейной поляризации. При расчете К.Н.Д. антенны следует делать поправку на круговую поляризацию и от результата отнимать 3 dВ. Для приема излучения с линейной поляризацией, чтобы не терять 3 dВ, можно применять антенну состоящую из двух близко расположенных параллельных спиралей, намотанных в противоположные стороны. Если антенна предназначена для работы только на одном радиолюбительском диапазоне, например 430 / 435 МГц, желательно заузить полосу пропускания антенны при помощи четвертьволнового короткозамкнутого шлейфа, выполненного из медного провода диаметром 2-3 мм или медной шинки, соединяющей разъем и экран



Рис. 13

Если спирали расположить в горизонтальной плоскости, то возможен прием волн с горизонтальной поляризацией, а при вертикальном расположении - с вертикальной поляризацией. Антенна из двух параллельно расположенных спиралей дает возможность при соединении спиралей параллельно получать входное сопротивление Rвх = (65-80) Ом, что удобно при питании ее обычным коаксиальным кабелем без согласующих устройств.

Для создания антенны с управляемой поляризацией, совмещают две противоположно направленные обмотки. Рис. 14. То есть делается двухзаходная спираль на одном каркасе с противоположным направлением намотки витков.

Спирали с противоположным направлением намотки развязаны относительно друг друга на 40 dВ, меняя сдвиг по фазе между токами в обеих обмотках можно управлять направлением поляризации.

В диапазонах 1200 мГц и выше антенну следует помещать не над экраном, а в коническом рупоре, что увеличивает в четыре раза коэффициент направленного действия такой антенны по сравнению с обычной спиралью такой же длины, а уровень боковых лепестков становится на 15 - 20 dВ ниже.

Цилиндрическая спиральная антенна состоит из следующих основных частей: проволочной спирали, сплошного или сетчатого экрана, согласующего устройства. В конструкцию антенны могут входить так же диэлектрический каркас, на который наматывается спираль и диэлектрические растяжки, придающие антенне жесткость.

Если спираль крепится на сплошном каркасе из диэлектрика, то ее расчетные размеры должны быть уменьшены в 1/ v раз. Спираль наматывается из проволоки, трубки либо плоской ленты. Как витки, так и экран необязательно делать круглыми, их можно делать квадратными или многоугольными. Длина витка спирали принимается равной средней длине волны заданного диапазона L=cp.

Рис. 14 Двухзаходная спиральная антенна

Рис. 15 Конический рупор с противоположным направлением со спиральным возбудителем намотки витков



Шаг спирали находится из условия S=0,22, если необходимо получить круговую поляризацию поля, или из условия

если необходимо получить от антенны максимальный К.Н.Д. L - длина витка, S - шаг спирали, длина антенны. Входное сопротивление почти чисто активное.

Расстояние начала спирали от экрана выбирают равным 0,13. Диаметр диска экрана принимается равным (0.9 1,1); диаметр провода спирали берется порядка (0,03;0,05) cp.

Пример. Спиральная антенна для диапазона 70 см имеет шаг S = 15,4 см, число витков n = 7 и длину витка L = 54,5 см (диаметр спирали D = 16,7 см). Длина спирали 108 см. Диаметр экрана 70 см. Rвх = 109 Ом. G=11,4 dВ.

Если необходимо иметь согласование в широкой полосе частот, например, в телевизионном диапазоне ДМВ, можно применить широкополосной экспоненциальный трансформатор, в полосковом исполнении. Экспоненциальным трансформатором называется линия, по длине которой волновое сопротивление изменяется по экспоненциальному закону. См.Рис.17а. Это достигается изменением расстояния между проводниками или их диаметра и соответственно изменением погонной индуктивности и емкости трансформатора по всей его длине. Физическая сущность согласования экспоненциальным трансформатором заключается в том, что по мере увеличения его волнового сопротивления амплитуда напряжения возрастает, а амплитуда тока уменьшается, причем эти изменения происходят достаточно плавно, так, что режим бегущих волн практически сохраняется. На практике, особенно в диапазоне сверхвысоких частот, широко применяются отрезки линий, поперечные размеры которых изменяются по линейному закону. Изготовление таких трансформаторов проще, чем экспоненциальных и они близки по эффективности согласования к экспоненциальным.

Рис. 16

7. Преимущества и недостатки спиральной антенны

Спиральная антенна изготавливается, как правило, намоткой отрезка стального, медного или латунного провода.

Из-за высокой добротности спиральных антенн их полоса пропускания очень мала, и межвитковое расстояние оказывает на характеристики антенн значительное влияние.

Число витков зависит от диаметра провода, диаметра намотки и межвиткового расстояния. Проще всего необходимое количество витков определять экспериментально, первоначально сделав антенну заведомо большей длины и укорачивая ее до обнаружения резонанса на требуемой частоте. Точная настройка антенны выполняется сжатием или растягиванием спирали.

Для изготовления антенны на частоту 433.92 МГц необходимо намотать 17 витков эмаль - провода диаметром 1 мм на оправке диаметром 5 мм и растянуть катушку так, чтобы ее длина равнялась 30 мм.

Большим недостатком спиральных антенн является их высокая чувствительность к любым предметам, подносимым к антенне, в частности, к рукам, поэтому такие антенны плохо подходят для портативной аппаратуры.

8. Спиральные антенны в сотовых телефонах

Мы рассмотрим вопросы применения спиральных антенн в сотовых телефонах. Для расчёта и оптимизации основных характеристик антенной системы - диаграммы направленности, диапазона рабочих частот - применяется программа электродинамического анализа IE3D фирмы Zeland (USA). Полученные результаты позволили выработать ряд рекомендаций для увеличения чувствительности сотового телефона.

Спиральные антенны сейчас являются самыми распространёнными антеннами в сотовых телефонах. Альтернатива им - микрополосковые плоские антенны различных модификаций (PIFA) пока имеют ограниченное применение.

Недостатком внутренних микрополосковых антенн, к сожалению, является необходимость разработки отдельной антенны для каждого типа сотового телефона, что замедляет модернизацию и разработку новых аппаратов. Спиральные антенны универсальны, разрабатываются как отдельный автономный элемент, обычно на входное сопротивление 50 Ом, и это позволяет конструктору выбрать подходящую антенну из широкого набора разработанных спиральных антенн только по частотным характеристикам.

Однако, при выборе готовой антенны возможны потери в характеристиках излучения всей антенной системы из-за того, что корпуса телефонов значительно отличаются друг от друга. Корпус современного телефона имеет размер, соизмеримый с половиной длины волны и поэтому влияющий на характеристики антенны.

Известно, что внешний вид корпуса является важной характеристикой сотового телефона и поэтому способствует разработке и поставке на рынок всё большего количества новых модификаций.

При выборе спиральной антенны конструктору важно выяснить, как она будет работать в новом корпусе. Это особенно важно для двухдиапазонной спиральной антенны, так как влияние корпуса на её характеристики происходит в обоих диапазонах.



Список литературы

1. Айзенберг Г.З. Антенны ультракоротких волн. "Связьиздат" (переизданное), М. 2007.700 с.

2. Лавров А. С. Антенно-фидерные устройства. "Рос техн", М., 2003,368 с.

3. Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны. В 2-х ч. Ч.2. Антенны - М.: Радио и связь, 2005-293с.

Размещено на Allbest.ru

...