Ðàñ÷åò ñïèðàëüíîé àíòåííû

Ðàçìåùåíî íà http://www.allbest.ru

Êóðñîâîé ïðîåêò

ïî äèñöèïëèíå

“Àíòåííû è ðàñïðîñòðàíåíèå ðàäèîâîëí”

“Ðàñ÷åò ñïèðàëüíîé àíòåííû”

Ñîäåðæàíèå

Ââåäåíèå

Õàðàêòåðèñòèêè è ïàðàìåòðû ñïèðàëüíûõ àíòåíí

Ãåîìåòðè÷åñêèå ðàçìåðû

Ñîáñòâåííûå âîëíû ñïèðàëüíîé àíòåííû

Äèàãðàììà íàïðàâëåííîñòè è ÊÍÄ

Ïîëÿðèçàöèÿ ñïèðàëüíîé àíòåííû

Ïèòàíèå àíòåííû è ñîãëàñîâàíèå ñ ôèäåðîì

Ðàñ÷åò àíòåííû

Ñïèñîê ëèòåðàòóðû

Ââåäåíèå

Ñðåäè ðàçëè÷íûõ òèïîâ øèðîêîïîëîñíûõ àíòåíí âàæíîå ìåñòî çàíèìàþò ðàçíîîáðàçíûå ñïèðàëüíûå àíòåííû, êîòîðûå ÿâëÿþòñÿ ñëàáî- è ñðåäíåíàïðàâëåííûìè øèðîêîïîëîñíûìè àíòåííàìè áåãóùåé âîëíû ýëëèïòè÷åñêîé è óïðàâëÿåìîé ïîëÿðèçàöèè. Îíè ïðèìåíÿþòñÿ â êà÷åñòâå ñàìîñòîÿòåëüíûõ àíòåíí, îáëó÷àòåëåé çåðêàëüíûõ è ëèíçîâûõ àíòåíí, âîçáóäèòåëåé âîëíîâîäíî-ðóïîðíûõ àíòåíí ýëëèïòè÷åñêîé è óïðàâëÿåìîé ïîëÿðèçàöèè, ýëåìåíòîâ àíòåííûõ ðåøåòîê.

Ñïèðàëüíûå àíòåííû - ýòî àíòåííû ïîâåðõíîñòíûõ âîëí. Ïî âèäó íàïðàâèòåëÿ (çàìåäëÿþùåé ñèñòåìû) è ñïîñîáó îáåñïå÷åíèÿ ðàáîòû â øèðîêîì äèàïàçîíå ÷àñòîò èõ ìîæíî ðàçäåëèòü íà:

öèëèíäðè÷åñêèå ðåãóëÿðíûå, ó êîòîðûõ ãåîìåòðè÷åñêèå ïàðàìåòðû (øàã, ðàäèóñ, äèàìåòð ïðîâîäà) ïîñòîÿííû ïî âñåé äëèíå è øèðîêîïîëîñíîñòü îáóñëîâëåíà íàëè÷èåì äèñïåðñèè ôàçîâîé ñêîðîñòè (ðèñ.1,à - â);

ýêâèóãîëüíûå èëè ÷àñòîòíî-íåçàâèñèìûå (êàíîíè÷åñêèå, ðèñ.1,ã, ïëîñêèå, ðèñ.1,ä);

íåðåãóëÿðíûå (ðèñ.1,å, æ).

Ðèñ. 1.Ñïèðàëüíûûå àíòåííû: à - â - öèëèíäðè÷åñêèå ðåãóëÿðíûå;

ã, ä - ýêâèóãîëüíûå; å, æ - íåðåãóëÿðíûå.

Ïî ÷èñëó çàõîäîâ (âåòâåé) è ñïîñîáó èõ íàìîòêè ñïèðàëüíûå àíòåííû ìîãóò áûòü îäíî- (ðèñ.1,à) è ìíîãîçàõîäíûìè ñ îäíîñòîðîííåé (ðèñ.1,á) è äâóñòîðîííåé (âñòðå÷íîé) íàìîòêîé (ðèñ.1,â).

Îòñóòñòâèå èëè íàëè÷èå äîïîëíèòåëüíîãî çàìåäëåíèÿ ôàçîâîé ñêîðîñòè è ñïîñîá åãî ðåàëèçàöèè ïîçâîëÿþò ðàçäåëèòü ñïèðàëüíûå àíòåííû íà ñëåäóþùèå òèïû:

èç ãëàäêîãî ïðîâîäà â îäíîðîäíîì äèýëåêòðèêå (âîçäóõå), ðèñ.1;

èç ïðîâîäà, îáëàäàþùåãî ñîáñòâåííûì çàìåäëåíèåì (èìïåäàíñíûå ñïèðàëüíûå àíòåííû), ðèñ.2,à;

èç ãëàäêîãî ïðîâîäà ñ äèýëåêòðèêîì (ñïèðàëüíî-äèýëåêòðè÷åñêèå àíòåííû), ðèñ.2,á, â;

èç ïðîâîäà ñ ñîáñòâåííûì çàìåäëåíèåì è ñ äèýëåêòðèêîì (èìïåäàíñíûå ñïèðàëüíî-äèýëåêòðè÷åñêèå àíòåííû), ðèñ.2,ã.

Ðèñ. 2. Ñïèðàëüíûå àíòåííû ñ äîïîëíèòåëüíûì çàìåäëåíèåì:

à - èìïåäàíñíàÿ; á, â - ñïèðàëüíî äèýëåêòðè÷åñêàÿ; ã - èìïåäàíñíàÿ

ñïèðàëüíî-äèýëåêòðè÷åñêàÿ.

Îäíèì èç îñíîâíûõ ñâîéñòâ ñïèðàëüíûõ àíòåíí ÿâëÿåòñÿ èõ ñïîñîáíîñòü ðàáîòàòü â øèðîêîé ïîëîñå ÷àñòîò ñ êîýôôèöèåíòîì ïåðåêðûòèÿ îò 1.5 äî 10 è áîëåå. Ðàáîòà îäíîçàõîäíûõ ðåãóëÿðíûõ öèëèíäðè÷åñêèõ ñïèðàëüíûõ àíòåíí â äèàïàçîíå ÷àñòîò âîçìîæíà áëàãîäàðÿ èõ äèñïåðñèîííûì ñâîéñòâàì, âñëåäñòâèå êîòîðûõ â øèðîêîì äèàïàçîíå ÷àñòîò ôàçîâàÿ ñêîðîñòü ïîëÿ âäîëü îñè ñïèðàëè áëèçêà ê ñêîðîñòè ñâåòà, îòðàæåíèå îò ñâîáîäíîãî êîíöà ñïèðàëè ìàëî, äëèíà âîëíû â ïðîâîäå ñïèðàëè ïðèìåðíî ðàâíà äëèíå âèòêà.  ìíîãîçàõîäíûõ öèëèíäðè÷åñêèõ ñïèðàëüíûõ àíòåííàõ ðàáî÷èé äèàïàçîí äîïîëíèòåëüíî ðàñøèðÿåòñÿ âñëåäñòâèå ïîäàâëåíèÿ â íèõ áëèæàéøèõ íèçøèõ è âûñøèõ òèïîâ âîëí, èñêàæàþùèõ äèàãðàììó íàïðàâëåííîñòè îñíîâíîãî òèïà.

Ñïèðàëüíûå àíòåííû ñ îäíîñòîðîííåé íàìîòêîé èçëó÷àþò ïîëå ñ ýëëèïòè÷åñêîé, áëèçêîé ê êðóãîâîé, ïîëÿðèçàöèåé. Íàïðàâëåíèå âðàùåíèÿ âåêòîðà ïîëÿ ñîîòâåòñòâóåò íàïðàâëåíèþ íàìîòêè ñïèðàëè. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ëèíåéíîé è óïðàâëÿåìîé ïîëÿðèçàöèè èñïîëüçóþò ñïèðàëüíûå àíòåííû ñ äâóñòîðîííåé (âñòðå÷íîé) íàìîòêîé.

Ôîðìà ÷àñòîòíî-íåçàâèñèìûõ ñïèðàëüíûõ àíòåíí îïðåäåëÿåòñÿ òîëüêî óãëàìè. Êàæäîé äëèíå âîëíû â ïðåäåëàõ ðàáî÷åãî äèàïàçîíà ñîîòâåòñòâóåò èçëó÷àþùèé ó÷àñòîê íåèçìåííîé ôîðìû è ïîñòîÿííûõ ýëåêòðè÷åñêèõ ðàçìåðîâ. Ïîýòîìó øèðèíà äèàãðàììû íàïðàâëåííîñòè è âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå ïðèáëèæåííî îñòàþòñÿ ïîñòîÿííûìè â âåñüìà øèðîêèõ äèàïàçîíàõ ÷àñòîò.

Ñïèðàëüíûå àíòåííû ïîçâîëÿþò ôîðìèðîâàòü îäíîíàïðàâëåííûå äèàãðàììû íàïðàâëåííîñòè ñ øèðèíîé 2è0,5?(25…180)º, òîðîèäàëüíûå ñ øèðèíîé 2è0,5˜(45…90)º, è âîðîíêîîáðàçíûå ñ øèðèíîé 2è0,5˜(40…60)º.  áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ îñíîâíûì òðåáîâàíèåì ê ñïèðàëüíûì àíòåííàì ÿâëÿåòñÿ ñïîñîáíîñòü ðàáîòàòü â øèðîêîì äèàïàçîíå ÷àñòîò, à íå ñòàáèëüíîñòü õàðàêòåðèñòèê è ïàðàìåòðîâ. Ïîýòîìó ÷àñòî äîïóñêàåòñÿ èçìåíåíèå øèðèíû äèàãðàììû íàïðàâëåííîñòè â ïîëòîðà - äâà ðàçà è äðóãèõ õàðàêòåðèñòèê. Òðåáîâàíèÿ ê óðîâíþ áîêîâûõ ëåïåñòêîâ è ñòàáèëüíîñòè íàïðàâëåíèÿ ãëàâíîãî ìàêñèìóìà òàêæå áûâàþò íå æåñòêèìè. Äîïóñêàåòñÿ óðîâåíü áîêîâûõ ëåïåñòêîâ, äîñòèãàþùèé 30% ïî ïîëþ, è èçìåíåíèå íàïðàâëåíèÿ ãëàâíîãî ìàêñèìóìà äî 10% îò 2è0,5.

 ïîäàâëÿþùåì áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ ñïèðàëüíûå àíòåííû âîçáóæäàþòñÿ êîàêñèàëüíîé ëèíèåé. Ïîýòîìó ïî ÷àñòîòíîìó äèàïàçîíó îáëàñòü èõ ïðèìåíåíèÿ íà äëèííûõ âîëíàõ îãðàíè÷åíà ïðåäåëüíî äîïóñòèìûìè ãàáàðèòàìè, à íà êîðîòêèõ - äîñòèæèìîé òî÷íîñòüþ èçãîòîâëåíèÿ è òåõíîëîãè÷íîñòüþ êîíñòðóêöèè, âûñîêî÷àñòîòíûì ïðåäåëîì ðàáî÷åãî äèàïàçîíà êîàêñèàëüíûõ êàáåëåé è âîçìîæíîñòüþ ðåàëèçàöèè íóæíîé ôîðìû ïåðåõîäà îò ïèòàþùåãî êîàêñèàëüíîãî ôèäåðà ê âåòâÿì ñïèðàëüíîé ñòðóêòóðû.

Õàðàêòåðèñòèêè è ïàðàìåòðû ñïèðàëüíûõ àíòåíí

Ãåîìåòðè÷åñêèå ðàçìåðû

Îäíà èç âîçìîæíûõ ñõåì ñïèðàëüíîé àíòåííû ïðèâåäåíà íà ðèñ.3. Àíòåííà õàðàêòåðèçóåòñÿ äèàìåòðîì ñïèðàëè D, äëèíîé âèòêà L, øàãîì ñïèðàëè S, óãëîì ñïèðàëè á. Àíòåííà âîçáóæäàåòñÿ ñ ïîìîùüþ êîàêñèàëüíîãî êàáåëÿ, âíóòðåííÿÿ æèëà êîòîðîãî ñîåäèíÿåòñÿ ñî ñïèðàëüþ, à âíåøíÿÿ - ñ ðåôëåêòîðîì, âûïîëíåííûì îáû÷íî â âèäå äèñêà äèàìåòðîì DÝ.

Ñïèðàëü èçîáðàæåíà íà ýòîì ðèñóíêå óïðîùåííî. Äèàìåòð ñïèðàëè D (ñì) ìîæåò áûòü ðàññ÷èòàí ïî îòíîøåíèþ ê ÷àñòîòå f (ÌÃö) ïî ôîðìóëå:

(1)

Ñîîòíîøåíèå ñïðàâåäëèâî äëÿ êðóãîâîé ïîëÿðèçàöèè, êîòîðàÿ èìååò ìåñòî, êîãäà îáùàÿ äëèíà ïðîâîäíèêà â îäíîì âèòêå ðàâíÿåòñÿ 1ë, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò äèàìåòðó âèòêà, ðàâíîìó ïðèáëèçèòåëüíî 0,31ë. Çíàÿ äèàìåòð âèòêà, åãî ïåðèìåòð îïðåäåëÿåòñÿ èç ñîîòíîøåíèÿ .

Ê âàæíûì êîíñòðóêòèâíûì ðàçìåðàì ñïèðàëüíîé àíòåííû îòíîñèòñÿ òàêæå óãîë ïîäúåìà ñïèðàëè, êîòîðûé ìîæåò ìåíÿòüñÿ â ïðåäåëàõ îò 6º äî 24º, îäíàêî íà ïðàêòèêå óãîë ïîäúåìà âûáèðàþò ðàâíûì 14º, òàê êàê ïðè ýòîì àíòåííà èìååò îïòèìàëüíûå ýëåêòðè÷åñêèå ïàðàìåòðû. Èç ðàçâåðòêè âèòêà ñïèðàëüíîé àíòåííû (ðèñ.3) ýòîò óãîë ìîæíî îïðåäåëèòü ïî ñîîòíîøåíèþ , ãäå ðàññòîÿíèå ìåæäó âèòêàìè S îïðåäåëÿåòñÿ ïî ñîîòíîøåíèþ (äëÿ ïîëó÷åíèÿ îïòèìàëüíûõ ýëåêòðè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ), à äëèíà âèòêà L ìîæåò áûòü ðàññ÷èòàíà ïî òåîðåìå Ïèôàãîðà.

Äèàìåòð äèñêîâîãî ðåôëåêòîðà âûáèðàåòñÿ íåáîëüøèì, íî âñåãäà áîëüøå 0,5ë, òàê êàê ïðè ýòîì âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå ñïèðàëüíîé àíòåííû ïðè ïîäêëþ÷åíèè ðåôëåêòîðà ìåíÿåòñÿ íåçíà÷èòåëüíî. Íàèáîëåå ÷àñòî äèàìåòð ðåôëåêòîðà âûáèðàåòñÿ ðàâíûì óäâîåííîìó çíà÷åíèþ äèàìåòðà âèòêà ñïèðàëüíîé àíòåííû, òî åñòü 0,62ë. Ðåôëåêòîðû ìîãóò áûòü êàê äèñêîâûìè, òàê è êâàäðàòíûìè.  äèàïàçîíå äåöèìåòðîâûõ âîëí ðåôëåêòîðû ìîæíî èçãîòîâëÿòü èç æåñòè, à â äèàïàçîíå ÓÊ ðåôëåêòîðû èçãîòîâëÿþòñÿ òàêèì îáðàçîì, êàê ïîêàçàíî íà ðèñ.4.

Ðàññòîÿíèå ìåæäó ðåôëåêòîðîì è ñïèðàëüþ öåëåñîîáðàçíî âûáèðàòü 0,13ë. Îòíîñèòåëüíî ÷àñòîòû f (ÌÃö), ýòî ðàññòîÿíèå À (ñì) ìîæåò áûòü îïðåäåëåííî ïî ôîðìóëå:

(2)

Ñîáñòâåííûå âîëíû ñïèðàëüíîé àíòåííû

 ñïèðàëüíîé àíòåííå â çàâèñèìîñòè îò åå ýëåêòðè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ ìîãóò âîçáóæäàòüñÿ ðàçëè÷íûå òèïû âîëí. Ðàññìîòðèì ãðàôèêè íà ðèñ.5,à. Ãîðèçîíòàëüíàÿ îñü ýòîãî ãðàôèêà ñîîòâåòñòâóåò ñïèðàëüíîé àíòåííå, âûïîëíåííîé â âèäå äëèííîé ëèíèè, òî åñòü â äàííîì ñëó÷àå ïåðèìåòð âèòêà ñïèðàëè Ñë=0. âåðòèêàëüíàÿ îñü ñîîòâåòñòâóåò äðóãîìó ïðåäåëüíîìó ñëó÷àþ ñïèðàëüíîé àíòåííû, à èìåííî - ïåòëå ñ øàãîì Së=0. ðåàëüíûå ñïèðàëüíûå àíòåííû, ó êîòîðûõ íè øàã, íè ïåðèìåòð âèòêà íå ðàâíû íóëþ, èìåþò õàðàêòåðèñòèêè, ñîîòâåòñòâóþùèå êîíå÷íûì çíà÷åíèÿì ïàðàìåòðîâ Ñë è Së. Èç ãðàôèêà ñëåäóåò, ÷òî ñóùåñòâóþò îòäåëüíûå îáëàñòè, îïðåäåëÿåìûå ñîîòíîøåíèåì ïàðàìåòðîâ Ñë è Së, â êîòîðûõ âîçíèêàþò ðàçëè÷íûå ñîáñòâåííûå âîëíû, êîòîðûì ñâîéñòâåííû ðàçíûå äèàãðàììû íàïðàâëåííîñòè. Îáëàñòè, ñîîòâåòñòâóþùåé ñîáñòâåííîé âîëíå T0R0, ñîîòâåòñòâóåò äèàãðàììà íàïðàâëåííîñòè, àíàëîãè÷íàÿ äèàãðàììå íàïðàâëåííîñòè êîðîòêîãî äèïîëÿ. Îáëàñòè T1R1 ñîîòâåòñòâóåò âîçáóæäåíèå çàìåäëåííîé âîëíû, êîòîðîé ñâîéñòâåííà äèàãðàììà íàïðàâëåííîñòè, ïðèâåäåíà ñïðàâà íà ðèñ.5,á. Äàëüíåéøåå óâåëè÷åíèå äëèíû âèòêà ñïèðàëè ïðèâîäèò ê îáðàçîâàíèþ íîâîãî òèïà âîëíû â ñïèðàëè è äèàãðàììå íàïðàâëåííîñòè, ïîêàçàííîé â ñðåäèíå ðèñ.5,á.

Ðèñ. 5. Ñîáñòâåííûå âîëíû ñïèðàëüíûõ àíòåíí: à - îáëàñòè âîçíèêíîâåíèÿ ðàçëè÷íûõ ñîáñòâåííûõ âîëí;

á - äèàãðàììû íàïðàâëåííîñòè ñïèðàëüíûõ àíòåíí ñ ðàçëè÷íûìè ñîáñòâåííûìè âîëíàìè.

Íà õàðàêòåð èçëó÷åíèÿ ñïèðàëüíîé àíòåííû íàèáîëüøåå âëèÿíèå îêàçûâàåò ôàçîâîå ñîîòíîøåíèå ìåæäó ñîñåäíèìè âèòêàìè ñïèðàëè. Òàê, íàïðèìåð, âîëíó T0 õàðàêòåðèçóåò íåáîëüøîé ôàçîâûé ñäâèã ìåæäó òîêàìè â ñîñåäíèõ âèòêàõ ñïèðàëè. Äëÿ âîëíû T1 õàðàêòåðíî îòëè÷èå íà 360º ôàçû òîêîâ íà ñîñåäíèõ âèòêàõ. Äëÿ âîëíû T2 ôàçà âîçáóæäåíèÿ òîêà äâàæäû ìåíÿåòñÿ òîëüêî íà îäíîì âèòêå ñïèðàëè (ðèñ.6). Íà ïðàêòèêå ïðèìåíÿþòñÿ â îñíîâíîì ñïèðàëüíûå àíòåííû, â êîòîðûõ èñïîëüçóþòñÿ âîëíû T0 è T1.

Ïî ñðàâíåíèþ ñ äèïîëüíûìè àíòåííàìè, ó ñïèðàëüíûõ àíòåíí ðàçìåðû ÿâëÿþòñÿ ìåíåå êðèòè÷íûìè. Áåç îñîáûõ óõóäøåíèé ïàðàìåòðîâ àíòåííû ìîæíî èçìåíÿòü ïåðèìåòð âèòêà ñïèðàëè â ïðåäåëàõ îò 0,8ë äî 1,4ë, à øàã 0,1ë äî 0,5ë äëÿ àíòåííû, õàðàêòåðèçóåìîé óãëîì 6º - 24º.

Äèàãðàììà íàïðàâëåííîñòè è ÊÍÄ

Ôîðìà äèàãðàììû íàïðàâëåííîñòè ñïèðàëüíîé àíòåííû ñóùåñòâåííûì îáðàçîì çàâèñèò îò ýëåêòðè÷åñêîé äëèíû ïåðèìåòðà âèòêà, à òàêæå îò ýëåêòðè÷åñêîé äëèíû øàãà ñïèðàëè, è îïðåäåëÿåòñÿ âûðàæåíèåì:

(3)

ãäå î - êîýôôèöèåíò óêîðî÷åíèÿ âîëíû, ðàâíûé 1 - 1,4.

Íàèáîëåå òèïè÷íûå ôîðìû äèàãðàìì íàïðàâëåííîñòè ñïèðàëüíîé àíòåííû ïîêàçàíû íà ðèñ.5,á.

Èçìåíåíèå øèðèíû äèàãðàììû íàïðàâëåííîñòè àíòåííû ïðè èçìåíåíèè ïàðàìåòðà ïîêàçàíî íà ðèñ.7. Èç ãðàôèêîâ ñëåäóåò, ÷òî íà øèðèíó äèàãðàììû íàïðàâëåííîñòè îêàçûâàåò âëèÿíèå è ýëåêòðè÷åñêàÿ äëèíà âèòêà ñïèðàëè. Òàêæå âèäíî, ÷òî îäíó è òó æå øèðèíó äèàãðàììû ìîæíî ïîëó÷èòü, èñïîëüçóÿ äâå ðàçëè÷íûå àíòåííû.

Ðèñ. 7. Çàâèñèìîñòü øèðèíû ãëàâíîãî ëåïåñòêà äèàãðàììû íàïðàâëåííîñòè ñïèðàëüíîé àíòåííû îò ÷èñëà âèòêîâ è ïåðèìåòðà âèòêà.

Äëÿ ðàñ÷åòà êîíñòðóêòèâíûõ ïàðàìåòðîâ ñïèðàëüíîé àíòåííû, íåîáõîäèìûõ äëÿ ðåàëèçàöèè çàäàííîé øèðèíû äèàãðàììû íàïðàâëåííîñòè ïî óðîâíþ ïîëîâèííîé ìîùíîñòè 2è0,5, ìîæíî ïîëüçîâàòüñÿ ñëåäóþùåé ôîðìóëîé:

(4)

Êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ñïèðàëüíîé àíòåííû, êàê è øèðèíà äèàãðàììû íàïðàâëåííîñòè, çàâèñèò îò ÷èñëà âèòêîâ, øàãà íàìîòêè è äëèíû âèòêà ñïèðàëè è óâåëè÷èâàåòñÿ ïðèáëèçèòåëüíî ïðîïîðöèîíàëüíî ñ óâåëè÷åíèåì ÷èñëà âèòêîâ:

(5)

Êîýôôèöèåíò íàïðàâëåííîãî äåéñòâèÿ ñïèðàëüíîé àíòåííû ìîæíî îöåíèòü ïî ôîðìóëå:

(6)

ãäå .

 òàáëèöå 1 ïðåäñòàâëåíà çàâèñèìîñòü ïðåäïîëàãàåìîãî óñèëåíèÿ è øèðèíû äèàãðàììû íàïðàâëåííîñòè îò êîëè÷åñòâà âèòêîâ ï ïðè îáû÷íûõ çíà÷åíèÿõ ïàðàìåòðîâ S=0,24ë (óãîë ïîäúåìà 14º) è D=0,31ë (äëèíà âèòêà 1ë). Íà ðèñ.8 ïðèâåäåíû ãðàôèêè, ïîçâîëÿþùèå îïðåäåëèòü óñèëåíèå ñïèðàëüíîé àíòåííû.

Òàáëèöà 1. Çàâèñèìîñòü óñèëåíèÿ è øèðèíû äèàãðàììû íàïðàâëåííîñòè ñïèðàëüíîé àíòåííû îò êîëè÷åñòâà âèòêîâ

Ðèñ. 8. Óñèëåíèå ñïèðàëüíîé àíòåííû

Ïîëÿðèçàöèÿ ñïèðàëüíîé àíòåííû

Ïîëÿðèçàöèÿ ñïèðàëüíîé àíòåííû ñ÷èòàåòñÿ êðóãîâîé, õîòÿ â äåéñòâèòåëüíîñòè îíà ÿâëÿåòñÿ ýëëèïòè÷åñêîé. Îäíàêî îòíîøåíèå áîëüøîé îñè ýëëèïñà ê ìàëîé î÷åíü áëèçêî ê åäèíèöå, è ïðè áîëüøîì êîëè÷åñòâå âèòêîâ îñè ìîæíî ñ÷èòàòü îäèíàêîâûìè. Îòíîøåíèå îñåé rA îïèñûâàåòñÿ ñëåäóþùèì âûðàæåíèåì:

(7)

Åñëè ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû ñ êðóãîâîé ïîëÿðèçàöèåé ïðèíèìàþòñÿ íà àíòåííó, îáëàäàþùóþ ëèíåéíîé ïîëÿðèçàöèåé, òî â ýòîì ñëó÷àå òåðÿåòñÿ ïîëîâèíà ýíåðãèè, ïåðåíîñèìîé ýëåêòðîìàãíèòíûìè âîëíàìè. Îäíàêî ñ ïîìîùüþ ñïèðàëüíûõ àíòåíí ìîæíî èçëó÷àòü èëè ïðèíèìàòü ëèíåéíî-ïîëÿðèçîâàííûå ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû. Äëÿ ýòîãî èñïîëüçóþò ãðóïïó èç äâóõ ñïèðàëüíûõ àíòåíí ñ ïðîòèâîïîëîæíîé íàìîòêîé (îäíà àíòåííà èìååò ïðàâîñòîðîííþþ íàìîòêó, à äðóãàÿ - ëåâîñòîðîííþþ). Ïðè ýòîì åñëè äâå àíòåííû ðàñïîëàãàþòñÿ ðÿäîì äðóã ñ äðóãîì â ãîðèçîíòàëüíîé ïëîñêîñòè, òî ïîëÿðèçàöèÿ ïîëÿ ãîðèçîíòàëüíàÿ, à åñëè îíè ðàñïîëàãàþòñÿ îäíà íàä äðóãîé â âåðòèêàëüíîé ïëîñêîñòè, òî ïîëÿðèçàöèÿ ïîëÿ âåðòèêàëüíàÿ. Åñëè îáå ñïèðàëüíûå àíòåííû èìåþò îäíó è òó æå íàìîòêó, òî ïîëÿðèçàöèÿ ïîëÿ îñòàåòñÿ êðóãîâîé, íî ïàðàëëåëüíîå ñîåäèíåíèå äâóõ ñïèðàëüíûõ àíòåíí äàåò î÷åíü óäîáíîå ñ òî÷êè çðåíèÿ ñîãëàñîâàíèÿ àíòåííû ñ ëèíèåé ïåðåäà÷è âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå (65 - 70 Îì).  ýòîì ñëó÷àå ñòàíîâèòñÿ âîçìîæíûì áåç âêëþ÷åíèÿ äîïîëíèòåëüíûõ òðàíñôîðìèðóþùèõ óñòðîéñòâ íåïîñðåäñòâåííî ïèòàòü àíòåííó ïðè ïîìîùè îáû÷íîãî êîàêñèàëüíîãî êàáåëÿ.

Ïèòàíèå àíòåííû è ñîãëàñîâàíèå ñ ôèäåðîì.

Âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå îäèíî÷íîé ñïèðàëüíîé àíòåííû ïî÷òè íå èìååò ðåàêòèâíûõ ñîñòàâëÿþùèõ è ðàâíî 120 - 150 Îì â çàâèñèìîñòè îò ðàçìåðîâ ñïèðàëè. Åãî ìîæíî ðàññ÷èòàòü ïî ôîðìóëå:

ñïèðàëüíàÿ àíòåííà íàïðàâëåííîñòü ôèäåð

(8)

Åñëè äëèíà âèòêà ñîîòâåòñòâóåò äëèíå âîëíû (0,75ë - 1,35ë), òî âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå îñòàåòñÿ ïî÷òè ïîñòîÿííûì â øèðîêîì èíòåðâàëå ÷àñòîò, ÷òî ïîçâîëÿåò îòíåñòè ñïèðàëüíóþ àíòåííó ê øèðîêîïîëîñíûì èçëó÷àòåëÿì. Ïðè óìåíüøåíèè äëèíû âèòêà âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå ïàäàåò, ïðè÷åì îíî ñòàíîâèòñÿ ñèëüíî çàâèñèìûì îò ÷àñòîòû.

Âõîä àíòåííû íåñèììåòðè÷åí, è ïîýòîìó îíà ïèòàåòñÿ êîàêñèàëüíîé ëèíèåé ïåðåäà÷è. Ñîãëàñîâàíèå âõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ñïèðàëüíîé àíòåííû ñ âîëíîâûì ñîïðîòèâëåíèåì ëèíèè ïåðåäà÷è óäîáíåå âñåãî îñóùåñòâëÿòü ñ ïîìîùüþ êîàêñèàëüíîãî ÷åòâåðòüâîëíîâîãî òðàíñôîðìàòîðà, ñîïðîòèâëåíèå êîòîðîãî ðàññ÷èòûâàåòñÿ ïî ôîðìóëå:

(9)

ãäå ZA - âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå àíòåííû, à Z - ñîïðîòèâëåíèå êîàêñèàëüíîé ëèíèè, ðàâíîå 60 èëè 75 Îì.

Íà ðèñ.9 ïîêàçàíà ïðàêòè÷åñêàÿ êîíñòðóêöèÿ îôîðìëåíèÿ ÷åòâåðòüâîëíîâîãî òðàíñôîðìàòîðà ñî âñåìè íåîáõîäèìûìè ðàçìåðàìè. Îáùàÿ äëèíà ñîãëàñóþùåãî óñòðîéñòâà ñ ó÷åòîì êîýôôèöèåíòà óêîðî÷åíèÿ ðàâíà 0,24ë.

Ðèñ. 9. Êîàêñèàëüíûé ÷åòâåðòüâîëíîâîé ñîãëàñóþùèé òðàíñôîðìàòîð äëÿ ñïèðàëüíîé àíòåííû:

à - ïðîäîëüíûé ðàçðåç; á - ïîïåðå÷íûé ðàçðåç

Íà ðèñ.10 ïðèâåäåíà çàâèñèìîñòü âîëíîâîãî ñîïðîòèâëåíèÿ Z êîíöåíòðè÷åñêîé ëèíèè ñ âîçäóøíîé èçîëÿöèåé îò îòíîøåíèÿ äèàìåòðîâ âíåøíåé æèëû ê âíóòðåííåé. Ãðàôèêè ïîçâîëÿþò ïî èçâåñòíîìó ñîïðîòèâëåíèþ îïðåäåëèòü äèàìåòðû æèë ÷åòâåðòüâîëíîâîãî êîàêñèàëüíîãî òðàíñôîðìàòîðà, íåîáõîäèìîãî äëÿ ñîãëàñîâàíèÿ ôèäåðà ñ àíòåííîé.

Ñâÿçü âîëíîâîãî ñîïðîòèâëåíèÿ êîàêñèàëüíîé ëèíèè ñ äèàìåòðàìè æèë òàêæå ìîæíî îïèñàòü ñ ïîìîùüþ ñîîòíîøåíèÿ:

 (10)

Ðàñ÷åò àíòåííû

Ðàññ÷èòàåì ïåðåäàþùóþ ñïèðàëüíóþ àíòåííó, ðàáîòàþùóþ íà ÷àñòîòå 600 ÌÃö, ñ 6-þ âèòêàìè è êîýôôèöèåíòîì óêîðî÷åíèÿ âîëíû, ðàâíûì 1,2.

Îïðåäåëèì ãåîìåòðè÷åñêèå ðàçìåðû ñïèðàëè.

Ñîãëàñíî ôîðìóëå (1) äèàìåòð ñïèðàëüíîé àíòåííû îïðåäåëÿåòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì: . Ïåðèìåòð ñïèðàëè ñâÿçàí ñ äèàìåòðîì àíòåííû ñëåäóþùèì ñîîòíîøåíèåì: . Äëèíà âèòêà ñïèðàëè ìîæåò áûòü îïðåäåëåíà ïî òåîðåìå Ïèôàãîðà èç ðàçâåðòêè ñïèðàëè:

, ãäå øàã . Ñëåäîâàòåëüíî, äëèíà âèòêà ñïèðàëè ðàâíà .

Óãîë ïîäúåìà ñïèðàëè ñâÿçàí ñ äëèíîé âèòêà è øàãîì ñïèðàëè ñîîòíîøåíèåì è ðàâåí . Êàê áûëî ñêàçàíî âûøå, ïðè òàêîì óãëå ïîäúåìà àíòåííà èìååò îïòèìàëüíûå ýëåêòðè÷åñêèå ïàðàìåòðû.

Äëèíó âîëíû â ñâîáîäíîì ïðîñòðàíñòâå îïðåäåëÿåò ñêîðîñòü ñâåòà è ÷àñòîòà. ×àñòîòå ñîîòâåòñòâóåò äëèíà âîëíû, êîòîðàÿ ïðèáëèçèòåëüíî ðàâíà äëèíå âèòêà ñïèðàëüíîé àíòåííû. Ñîîòâåòñòâèå ýòèõ äâóõ ïàðàìåòðîâ ÿâëÿåòñÿ óñëîâèåì ïîëó÷åíèÿ êðóãîâîé ïîëÿðèçàöèè ñïèðàëüíîé àíòåííû.

Äèàìåòð ïðîâîäíèêà ñïèðàëè îïðåäåëÿåòñÿ ñîîòíîøåíèåì è ðàâåí . Ñëåäîâàòåëüíî, äëÿ èçãîòîâëåíèÿ àíòåííû ïîäõîäèò äþðàëåâûé ïðóò, îáû÷íî ïðèìåíÿåìûé äëÿ ãðîìîîòâîäîâ, òàê êàê îí èìååò òàêîé æå äèàìåòð è ëåãêî ïîääàåòñÿ îáðàáîòêå. Ìîæíî òàêæå ïðèìåíèòü, íàïðèìåð, ìåäíóþ òðóáêó, ïîñêîëüêó â ñïèðàëüíîé àíòåííå ðàñïðîñòðàíÿþòñÿ ïîâåðõíîñòíûå âîëíû. Äëèíà âñåé àíòåííû .

Äëÿ óìåíüøåíèÿ èçëó÷åíèÿ àíòåííû â çàäíåå ïîëóïðîñòðàíñòâî èñïîëüçóåòñÿ ðåôëåêòîð, äèàìåòð êîòîðîãî ðàâåí óäâîåííîìó çíà÷åíèÿ äèàìåòðà âèòêà ñïèðàëè, òî åñòü . Îòðàæàòåëü ñïèðàëüíîé àíòåííû äëÿ ÓÊ äèàïàçîíà èçîáðàæåí íà ðèñ.4. Ðàññòîÿíèå ìåæäó íèì è ñïèðàëüþ îïðåäåëÿåòñÿ ñîîòíîøåíèåì (2) è ðàâíî .

Ýëåêòðè÷åñêèå ïàðàìåòðû ñïèðàëüíîé àíòåííû

Íà ðèñ.11 ïðèâåäåíà äèàãðàììà íàïðàâëåííîñòè, êîòîðàÿ îïèñûâàåòñÿ âûðàæåíèåì (3). Èç ðèñóíêà ñëåäóåò, ÷òî èçëó÷åíèå àíòåííû íàïðàâëåííî âäîëü îñè ñïèðàëè è èçëó÷åíèå â çàäíåå ïîëóïðîñòðàíñòâî ïðàêòè÷åñêè îòñóòñòâóåò. Ïî ãðàôèêó ìîæíî îïðåäåëèòü øèðèíó ãëàâíîãî ëåïåñòêà ïî ïîëîâèííîé ìîùíîñòè, êîòîðàÿ ðàâíà . Åå çíà÷åíèå òàêæå ìîæíî ïîëó÷èòü èç ïðèáëèæåííîé ôîðìóëû (4), âûâåäåííîé Êðàóñîì. Îíî ðàíî . Âûðàæåíèå (4) âûïîëíÿåòñÿ, åñëè êîýôôèöèåíò óêîðî÷åíèÿ âîëíû ðàâåí , óãîë ïîäúåìà ñïèðàëè ëåæèò â ïðåäåëàõ è êîëè÷åñòâî âèòêîâ ñïèðàëè áîëüøå , íî â ýòîì ñëó÷àå (êîãäà ) óâåëè÷èâàåòñÿ èçëó÷åíèå â çàäíåå ïîëóïðîñòðàíñòâî (ðèñ.12).

Êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ è êîýôôèöèåíò íàïðàâëåííîãî äåéñòâèÿ ðàññ÷èòûâàþòñÿ ïî ôîðìóëàì (5) è (6), è ðàâíû ñîîòâåòñòâåííî è . Îíè ñâÿçàíû ìåæäó ñîáîé ñîîòíîøåíèåì:

(11)

îòêóäà .

Ïîëÿðèçàöèÿ ñïèðàëüíîé àíòåííû ñ÷èòàåòñÿ êðóãîâîé, õîòÿ â äåéñòâèòåëüíîñòè îíà ÿâëÿåòñÿ ýëëèïòè÷åñêîé. Îòíîøåíèå áîëüøîé îñè ýëëèïñà ê ìàëîé î÷åíü áëèçêî ê åäèíèöå è ðàâíî .

Ñîãëàñîâàíèå àíòåííû ñ ëèíèåé ïåðåäà÷è.

Âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå ñïèðàëüíîé àíòåííû ðàññ÷èòûâàåòñÿ ïî ôîðìóëå (8). Åãî âåëè÷èíà ñîñòàâëÿåò . Ïîñêîëüêó äëèíà âèòêà ñïèðàëè ñîîòâåòñòâóåò äëèíå âîëíû â ñâîáîäíîì ïðîñòðàíñòâå, òî âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå îñòàåòñÿ ïîñòîÿííûì â øèðîêîì äèàïàçîíå ÷àñòîò.

Äëÿ ñîãëàñîâàíèÿ àíòåííû ñ - îìíûì êîàêñèàëüíûì êàáåëåì ïðèìåíÿåòñÿ ÷åòâåðòüâîëíîâîé ñîãëàñóþùèé òðàíñôîðìàòîð, âîëíîâîå ñîïðîòèâëåíèå êîòîðîãî îïðåäåëÿåòñÿ âûðàæåíèåì (9). ïîëó÷àåì ðàâíûì .

Îïðåäåëèì äèàìåòðû æèë êîàêñèàëüíîãî êàáåëÿ è ñîãëàñóþùåãî òðàíñôîðìàòîðà. Äëÿ ïðîñòîòû ïðèìåì, ÷òî âíóòðåííÿÿ æèëà êîàêñèàëüíîãî êàáåëÿ ñëóæèò âíóòðåííèì ïðîâîäíèêîì òðàíñôîðìàòîðà, è äèàìåòð åå ðàâåí . Èç ðèñ.10 îïðåäåëèì îòíîøåíèÿ äëÿ èçâåñòíîãî âîëíîâûõ ñîïðîòèâëåíèÿ ÷åòâåðòüâîëíîâîãî òðàíñôîðìàòîðà:

äëÿ êðóãëîé âíåøíåé æèëû èìååì: ;

äëÿ ïðÿìîóãîëüíîãî âíåøíåãî ïðîâîäíèêà - ;

äëÿ êîàêñèàëüíîãî êàáåëÿ - .

Ïîäñòàâèâ íóæíûå âåëè÷èíû, ïîëó÷àåì: (äèàìåòð îïëåòêè êîàêñèàëüíîãî êàáåëÿ); è (äèàìåòð êðóãëîãî è ïðÿìîóãîëüíîãî êîàêñèàëüíîãî ñîãëàñóþùåãî òðàíñôîðìàòîðà ñîîòâåòñòâåííî).

.Ðèñ.13. Ñõåìà ñïèðàëüíîé àíòåííû

Ðèñ.14. Ñõåìà ñîãëàñóþùåãî ÷åòâåðòüâîëíîâîãî òðàíñôîðìàòîðà.

Ñïèñîê ëèòåðàòóðû

Þðöåâ Î.À., Ðóíîâ À.Â., Êàçàðèí À.Í. Ñïèðàëüíûå àíòåííû. - Ì., “Ñîâ. ðàäèî”, 1974. - 224ñ.

Ðîòõàììåëü Ê. Àíòåííû: Ïåð. ñ íåì. - 3-èçä. äîï. - Ì.: Ýíåðãèÿ, 1979. - 320ñ.

Áåíüêîâñêèé Ç., Ëèïèíñêèé Ý. Ëþáèòåëüñêèå àíòåííû êîðîòêèõ è óëüòðàêîðîòêèõ âîëí: Ïåð. ñ ïîëüñê./Ïîä ðåä. Î.Ï. Ôðîëîâà. - Ì.: Ðàäèî è ñâÿçü, 1983. - 480ñ.

Øïèíäëåð Ý. Ïðàêòè÷åñêèå êîíñòðóêöèè àíòåíí: Ïåð. ñ íåì. - Ì.: Ìèð, 1989. - 448ñ.

Õìåëü Â.Ô. è äð. Òåîðèÿ è ðàñ÷åò àíòåíí ñâåðõâûñîêèõ ÷àñòîò. Îäåññà. 2001.

Åðîõèí Ã.À., ×åðíûøåâ Î.Â. è äð. Àíòåííî-ôèäåðíûå óñòðîéñòâà è ðàñïðîñòðàíåíèå ðàäèîâîëí: Ó÷åáíèê äëÿ âóçîâ. - 2-å èçä., èñïð. - Ì.: Ãîðÿ÷àÿ ëèíèÿ - Òåëåêîì, 2004. - 491ñ.

Ðàçìåùåíî íà Allbest.ru