Файл: Юрцев, О. А. Спиральные антенны.pdf

О. А. ЮРЦЕВ,

А. В. РУНОВ,

А. Н. КАЗАРИН

СПИРАЛЬНЫЕ

АНТЕННЫ

МОСКВА «СОВЕТСКОЕ РАДИО» 1974

УДК 621.396.677.45

Книга посвящена вопросам теории и практики широкополосных и сверх­ широкополосных спиральных антенн, применяемых в настоящее время в разно­ образных излучающих устройствах. Приводятся формулы, таблицы и графики, облегчающие расчет рассматриваемых антенн.

Книга предназначена для инженерно-технических работников, занимающихся проектированием слабо- и средненаправленных антенн, поляризация излучения которых может быть произвольной. Она может быть полезна аспирантам и сту­ дентам радиотехнических вузов.

140 рис., S табл., библ. 65 назв,

Редакция литературы по вопросам космической радиоэлектроники

© Издательство «Советское ра,цио», 1974 г,

Введение

Развитие различных отраслей радиоэлектроники (ра­ диоразведки и противодействия, связи с подвижными объектами, радиоуправления, радиотелеметрии, радио­ астрономии и др.) вызвало практическую потребность в антеннах, обеспечивающих излучение и прием эллип­ тически поляризованного поля в широком диапазоне ча­ стот. Необходимость улучшения помехозащищенности, информативной способности и потенциала радиолокаци­ онных средств требует применения антенн с управляемы­ ми во времени поляризационными параметрами.

Среди различных типов широкополосных антенн важ­ ное место занимают разнообразные спиральные антенны. Спиральные антенны являются слабо- н средненаправ­ ленными широкополосными антеннами эллиптической и управляемой поляризации*. Они применяются в качест­ ве самостоятельных антенн, облучателей зеркальных и линзовых антенн, возбудителей волноводно-рупорных антенн эллиптической и управляемой поляризации, эле­ ментов 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 геометри­ ческие параметры (шаг, радиус, диаметр провода) по­ стоянны по всей длине и широкополосность обусловлена наличием дисперсии фазовой скорости (рис. В.1);

—эквиугольные или частотно-независимые (кониче­ ские, рис. В.2,а, плоские, рис. В.2,б);

—нерегулярные, к которым можно отнести все дру­

гие типы спиральных антенн (рис. В.З, В.4).

* Под антеннами управляемой поляризации в дальнейшем пони­ маются антенны, поляризационные параметры поля излучения кото­ рых могут изменяться электрическим путем.

4

заходная (четырехзаходная) с двусторонней (встречной) на­ моткой.

Рис. В.2. Эквиугольные спиральные антенны:

а — коническая; б — плоская.

Рис. В.З. Нерегулярные спиральные антенны:

5

Рис. В.4. Нерегулярная цилиндрическая спираль­ ная антенна (с переменным шагом).

По числу заходов (ветвей) и способу их намотки спиральные антенны могут быть одно- и многозаходными с односторонней (рис. В.1 ,а, б) или двусторонней (встречной) намоткой (рис. В.1,е).

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), рис. В.1,а, В.2, В.З,а, б, В.4;

—из-провода, обладающего собственным замедлени­ ем (импедансные спиральные антенны), рис. В.5,а;

—из гладкого провода с диэлектриком (спирально­

диэлектрические антенны), рис. В.5Д в;

— из провода с собственным замедлением и с ди­ электриком (импедансные спирально-диэлектрические антенны), рис. В.5,г.

Однозаходные регулярные цилиндрические спираль­ ные антенны были предложены Д. Краусом в 1947 г.

Рис. В.5. Спиральные антенны с дополнительным замедле­ нием:

а — нмпедансная; 0, о — спирально-диэлектрическая; г — нмпедансная спирально-диэлектрическая.

6

[1] и в дальнейшем им же, его сотрудниками [2—4] и рядом других исследователей [5—8] весьма детально тео­ ретически и экспериментально изучены. Позже свойства цилиндрических спиральных антенн были значительно улучшены использованием многозаходных структур с односторонней (9] и двусторонней намоткой [10]. Многозаходные цилиндрические регулярные структуры с одно­

однозаходные конические спиральные антенны из прово­ да постоянного сечения ■— был предложен также Д. Краусом [14], а первые исследования свойств этих антенн опубликованы в работах [15, 16]. В дальнейшем спиральные линии и антенны этого типа были весьма подробно исследованы [17—20].

Теоретическая работа по отысканию форм частотно­ независимых антенн была проделана В. Рамзеем. [21], а первое экспериментальное исследование свойств этих антенн выполнено Д. Дайсоном [22].

В середине пятидесятых годов и позже были предло­ жены различные нецилиндрическиё спиральные антенны, не подчиняющиеся условию частотной независимости: плоская спиральная антенна с постоянным шагом — спи­ раль Архимеда [23] (рис. В.3,а), спираль с постоянным углом намотки па поверхности параболоида вращения

[24], спираль с постоянным шагом намотки на конусе

[25](рис. В.3,6), спираль с постоянным углом намотки на поверхности сферы [26], спираль с постоянным углом

намотки на поверхности эллипсоида вращения [27] (рис. В.3,в).

Одновременно велись работы по улучшению свойств цилиндрических спиральных антенн путем введения не­ регулярности вдоль оси [28] (рис. В.4), использования проводников с собственным замедлением [29] и примене­ ния неоднородного диэлектрика [30, 31].

Свойства регулярной спиральной линии, отрезок кокоторой используется в качестве направителя антенны, рассматривались в ряде работ как отечественных, так и зарубежных [32—41]. В этих работах установлена систе­ ма волн, существующих в регулярных цилиндрических спиральных линиях, исследованы их дисперсионные свойства и найдены соотношения между токами различ­ иях типов волн,

7

Одним из основных свойств спиральных антенн явля­ ются 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 это обстоятельство само по себе не обусловливает работы спиральных антенн в диапазоне частот с таким коэффициентом перекрытия.

(рис. В.5) в диапазоне частот возможна благодаря их дисперсионным свойствам, вследствие которых в широ-

нон) намоткой:

а — коническая четырехзаходпая; б — плоская трехзаходная.

ком диапазоне частот фазовая скорость поля вдоль оси спирали близка к скорости света, отражение от свобод­ ного конца спирали мало, длина волны в проводе спира­ ли примерно равна длине витка.

В многозаходных цилиндрических спиральных антен­ нах (рис. В .1,6) рабочий диапазон дополнительно рас­ ширяется вследствие подавления в них ближайших низ­ ших и высших типов волн, искажающих диаграмму на­ правленности основного типа.

Спиральные антенны с односторонней намоткой (рис. В Л,а, б; рис. В.2) излучают поле с эллиптической, близкой к круговой, поляризацией. Направление враще­ ния вектора поля соответствует направлению намотки спирали. Для получения линейной и управляемой поля­ ризации используют спиральные антенны с двусторонней (встречной) намоткой (рис. В.1,в, В.6).

Форма частотно-независимых (плоских и конических эквиугольных) спиральных антенн (рис. В.2) определи

8

ется только углами. Каждой длине волны в пределах рабочего диапазона соответствует излучающий участок неизменной формы и постоянных электрических разме­ ров. Поэтому ширина диаграммы направленности и входное сопротивление приближенно остаются постоян­ ными в весьма широких диапазонах частот (10: 1

...2 0 :1 ) .

Для получения однонаправленного излучения с эл­ липтической поляризацией в меньших диапазонах частот (2 :1 . . . 4 : 1) нет необходимости строго выдерживать форму антенны в соответствии с условием частотной

Рис. В.7. Квазичастотно-не-

зависимые спиральные антенны с двусторонней

(встречной) намоткой и по­ стоянным шагом:

а — коническая четырехзаходная; б — полусферическая четырехзаходная; е — эллипсои­ дальная четырехзаходная.

независимости. Если при переходе от одной длины вол­ ны к другой форма и электрические размеры излучаю­ щего элемента повторяются хотя бы приближенно, ан­ тенна работает в диапазоне частот с меньшим постоян­ ством характеристик и параметров. Следуя этому, мож­ но построить очень широкое, не подчиняющееся точно принципу частотной независимости семейство антенн в виде одноили многозаходных спиралей, навитых (по различным законам намотки) на различных поверхно­ стях вращения (рис. В.З.е). Иногда такие антенны назы­ вают квазичастотно-независимыми [27].

Квазичастотно-независимые спиральные антенны для получения управляемой и линейной поляризации также выполняются с двусторонней намоткой (рис. В.7). Для получения управляемой, линейной и круговой поляриза-

9