ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.10.2024
Просмотров: 62
Скачиваний: 2
цни могут также применяться различные (цилиндриче ские, эквиугольные п др.) двухвходные спиральные ан тенны (рис. В.8).
Спиральные антенны позволяют формировать одно
направленные |
диаграммы направленности с |
шириной |
||||
20о,5~ |
(2 5 ... 180)°, |
тороидальные |
с |
шириной |
20o,s^ |
|
(45 |
... 90)° |
и |
воронкообразные |
с |
шириной 20о,5— |
|
«5 (40 . . . 60)°. |
Поляризация излучения |
может |
быть эл |
|||
липтической, близкой к круговой, управляемой, линей ной. В большинстве случаев основными требованиями
кспиральным антеннам являются способность работать
вшироком диапазоне частот с коэффициентом перекры-
Ряс. В.8. Двухвходные спиральные антенны:
а — цилиндрическая однозаходиая; б — эквнугольная коническая двухзаходная.
тия обычно от 1,5 до 10 и в отдельных случаях больше, обеспечение эллиптической, близкой к круговой, или управляемой поляризации, а не стабильность характери стик и параметров. Поэтому часто допускаются весьма значительные изменения характеристик и параметров в диапазоне частот: изменение ширины диаграммы на правленности в полтора — два раза, увеличение коэффи циента стоячей волны (КСВ) в отдельных точках диа пазона до 1,5 . . , 2. Требования к уровню боковых ле пестков и стабильности направления главного макси мума также бывают не жесткими. Очень часто допу скается уровень боковых лепестков, достигающий 30% по полю, и изменение направления главного максимума до 10% от 20°о,5 [2, 7, 16, 20, 52].
Основным элементом всех спиральных антенн явля ется проволочный или ленточный виток длиной, приблизительно_ равной X (диаметр —'А/лй. обтекаемый бегущей волной тока. В подавляющем большинстве случаев спи ральные антенны возбуждаются коаксиальной линией. Поэтому по частотному диапазону область их примене
10
ния на длинных волнах ограничена предельно допусти мыми габаритами, а на коротких — достижимой точно стью изготовления и технологичностью конструкции, вы сокочастотным пределом рабочего диапазона коаксиаль ных кабелей и возможностью конструктивной реализа ции нужной формы перехода от питающего коаксиального фидера к ветвям спиральной структуры. На практике трудно осуществить конструкции спираль ных антенн, работающие на волнах короче 2 см.
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 ан тенну, работающую на СВЧ, для исключения высших типов волн должен быть меньше Я, т. е. такие кабели имеют невысокую электрическую прочность. Следова тельно, в диапазоне СВЧ спиральные антенны могут работать при малых и средних уровнях мощности (i3^; ^'100 кВт).
Спиральная антенна любого типа (регулярная, эквиугольная, нерегулярная) может быть сконструирована для работы в полосе частот с коэффициентом перекры тия 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 ча стот, верхняя граница которого приближенно определя ется поперечными размерами структуры у вершины, а нижняя — поперечными размерами структуры у осно вания, диаграммы направленности и входное сопротив ление изменяются периодически как функция логарифма частоты, хотя и в небольших пределах.
Цилиндрические, плоские и конические спиральные антенны с постоянным шагом, а также спиральные ан тенны на поверхности различных тел вращения (кроме эквиугольных конических) не являются частотно-незави симыми. Поэтому в рабочем диапазоне частотих диаграм мы направленности изменяются более — менее монотон но. У цилиндрических спиральных антенн с увеличением
частоты диаграмма |
направленности |
сужается, а у пло |
ских и конических |
с постоянным |
шагом — несколько |
11
расширяется. У квазичастотно-независимых спиральных антенн изменение характеристик и параметров от часто ты может быть различным в зависимости от закона из менения угла намотки по длине антенны и формы поверхности, на которой она намотана.
Из перечисленных типов антенн большей направлен ностью обладают цилиндрические спиральные и зигза гообразные антенны (20о,5>ЗО°, К Н Д ^25). Направлен ность частотно-независимых и квазичастотно-независи мых антенн меньше (20о,5^ 5О ... 80°; КНД — 2 . . . 12).
Различные типы спиральных антенн отличаются и по габаритам. Минимальные поперечные габариты имеют цилиндрические спиральные антенны, особенно — импедансные спирально-диэлектрические (2а<ЯСр/я). Про дольные электрические размеры таких антенн определя ются требуемой направленностью. Минимальные про дольные габариты имеют плоские спиральные антенны (£<0,25Лмакс). Максимальные поперечные размеры этих антенн составляют 2 а ~ (0,35 . . . 0,6)1макс-
Конические эквиугольные спиральные антенны, осо бенно многозаходиые из расширяющихся лент, характе ризуются наибольшей стабильностью характеристик в рабочем диапазоне частот, но и при наибольших габари тах: наибольший поперечный размер 2а«0,41макс.‘ про дольный размер в зависимости от требуемого коэффи циента перекрытия диапазона и направленности лежит в пределах L ~ (1 . . . 4) ^макс-
Свойства спиральной антенны (вид диаграммы на правленности, поляризация поля, днапазонность и т. д.) зависят от конструкции антенны, отношения основных геометрических размеров к длине волны в свободном пространстве, типа возбуждаемой волны. Анализ этих свойств основывается на результатах анализа типов волн в соответствующей бесконечной спиральной линии, от резком которой является антенна. В изучении спираль ной линии как замедляющей системы большую роль иг рают свойства геометрической симметрии. Выяснение общих закономерностей, следующих из свойств симме трии, позволяет не только решить ряд практических во просов (выбор, например, нужного типа волны, способа возбуждения спирали), но и облегчает решение гранич ной задачи. Свойства симметрии спиральных структур и вытекающие из них свойства электромагнитных полей рассматриваются в первой главе.
12
В последующих четырех главах рассматриваются во просы теории и практики регулярных спиральных ан тенн. Во второй и третьей главах исследуются диспер сионные уравнения регулярных спиральных линий раз личных типов, системы собственных волн, частотные области их существования и дисперсионные характери стики, определяются геометрические параметры, обус ловливающие в заданном диапазоне частот тот или иной режим излучения.
В четвертой главе исследуются вопросы возбуждения собственных волн в многозаходных спиральных систе мах, без решения которых невозможно проанализиро вать влияние условий возбуждения на характеристики излучения соответствующих антенн.
Пятая глава посвящена характеристикам и пара метрам регулярных спиральных антенн различных типов.
В шестой главе рассматриваются системы волн, ха рактеристики и параметры эквнугольных конических и плоских спиральных антенн, приводятся формулы для их расчета.
Седьмая глава посвящена результатам исследования некоторых разновидностей нерегулярных (квазичастот- но-независимых) спиральных антенн.
В теоретическом плане основное внимание уделено в книге цилиндрическим регулярным спиральным антен нам. Это связано с невозможностью строгого (или при ближенного, но достаточно точного) решения ряда за дач для нерегулярных спиральных систем и вместе с тем с возможностью обобщения на них результатов теорети ческого анализа регулярных спиралей.
Несколько слов о принятой в книге терминологии. Под характеристиками излучения понимаются зависимо сти величин, характеризующих поле антенны (амплиту ды, фазы, коэффициента поляризации), в равноудален-__ ных точках дальней зоны от углов наблюдения. Наибо- ] лее важными характеристиками являются диаграмма направленности, поляризационная н фазовая характеры-^ стики.
Другие величины, характеризующие антенну и не за висящие от углов наблюдения, называются параметра ми. Для спиральных антенн наиболее важными пара метрами являются максимальный коэффициент направленного действия и входное сопротивление.
Гла в а 1
ОБЩИЕ СВОЙСТВА СПИРАЛЬНЫХ СТРУКТУР
1.1. Свойства геометрической симметрии
Известные типы спиральных структур обладают либо симметрией вращения, либо винтовой симметрией, являющейся сочетанием симметрии вращения и трансля ционной симметрии. Различные виды геометрической симметрии замедляющих систем и вытекающие из нее следствия относительно свойств электромагнитных полей подробно рассмотрены в [42]. Воспользуемся основными известными общими положениями для рассмотрения электродинамических свойств спиральных структур. На помним лишь, что симметрия вращения заключается в свойстве спирали совмещаться с собой при повороте вокруг некоторой оси на угол 2я/М, где М — целое чис ло, равное числу заходов (плечей) спирали. Эта симме трия характеризуется поворотной осью симметрии См.
При трансляционной симметрии спираль совмещается
сама |
с собой при смещении ее вдоль оси на величину |
S/М, |
где S — шаг спирали. При винтовой симметрии спи |
раль совмещается сама с собой при повороте вокруг оси на угол 2л/М и одновременном перемещении вдоль оси на S/М. Такая симметрия характеризуется винтовой осью симметрии Сmi- Точки структур, совмещающиеся при преобразованиях симметрии, называются симметричными.
Все известные типы спиралей имеют симметрию вра щения, а винтовую симметрию — лишь цилиндрические бесконечные спирали с постоянным шагом S. Такие спи рали ниже называются регулярными. Однозаходные пло ские, конические и цилиндрические спирали имеют по воротную ось симметрии Ct, двухзаходные — ось Сг и т. д. Регулярная однозаходная спираль имеет винто вую ось симметрии Си, двухзаходная — ось С21 и т. д.
Хотя конечная цилиндрическая спираль с постоян ным тагом и не имеет трансляционной и винтовой сим-
Н
метрпи, ее можно рассматривать как отрезок регулярной спирали с этими двумя видами симметрии, в котором существуют прямые и обратные волны. При анализе та кой антенны можно использовать результаты, получен ные для бесконечно длинной спирали.
В практических конструкциях спиральных антенн ча сто применяется диэлектрик в виде опорных цилиндров, на поверхность которых укладываются заходы. Если диэлектрик однороден в азимутальном и продольном на правлениях, то свойства симметрии спиральной структу ры не изменяются. "
Для уменьшения поперечных размеров спиральной антенны можно использовать замедляющие системы, уменьшающие сразовую скорость тока в заходах спира ли. Такая замедляющая система может быть однород ной в азимутальном и продольном направлениях. Кро ме того, проводник спирали может представлять собой замедляющую систему (например, спираль малого ра диуса или зигзагообразную ленту), причем однородную вдоль спирального направления. В этих случаях свойства симметрии структуры также не изменяются. В дальней шем предполагается, что и диэлектрик, и замедляющие системы не нарушают свойств симметрии.
Рассмотрим свойства полей в системах с различной симметрией.
1.2. Типы нормальных волн
Пусть рассматриваемая система имеет поворотную ось симметрии См, т. е. представляет собой М-заходную произвольную спираль — плоскую, коническую или ци линдрическую. -
Как показано в [42], поле произвольным образом воз бужденной замедляющей системы с поворотной осью симметрии См можно представить в виде суммы М так называемых нормальных волн, каждая из которых удов летворяет граничным условиям в системе. Вектор напря женности электрического поля в q-& нормальной волне может быть записан в виде *
Eg (г, q>, z) = Е0д (г, ф, г) ехр [—/щр], |
( 1.1) |
Под Ь q(r, cp, г) и далее j ? (r, ср, z) понимается |
совокупность |
трех проекций вектора напряженности электрического поля и векто? ра плотности тока проводимости соответственно.
15
где q |
— целое |
число, характеризующее тип |
волны, |
—M /2 |
< q ^ M /2 ; |
Е0? — периодическая функция |
коорди |
наты ср цилиндрической системы координат, ось z кото рой совпадает с осью симметрии См. Период функции равен 2п/М и ее можно разложить в ряд Фурье:
|
|
00 |
|
|
|
Ео7 (г, <р, г) = |
£ |
e mq (г, z) exp [— iniMy], |
(1.2) |
|
ш =—со |
|
||
где е — коэффициент разложения. Из (1.1) и (1.2) сле |
||||
дует выражение для поля (7-й нормальной волны: |
|
|||
|
|
СО |
|
|
|
Е9(г, <р, z) = |
У) |
е тч (г, z)exp[ — t'v<p], |
(1.3) |
где |
x = q + mM. |
|
00 |
(1.4) |
|
|
|||
|
Выражение (1.3) |
представляет собой разложение по |
||
ля этой нормальной |
волны на так называемые |
азиму |
||
тальные пространственные гармоники. |
|
|||
|
Аналогично можно представить токи в системе, соот |
|||
ветствующие q-\i нормальной волне: |
|
|||
|
|
СО |
|
|
|
jg (r ,? ,z )~ |
£ |
j m? (t'yz) exp f— iv<p]. |
(1.5) |
|
|
П1—— 0 0 |
|
|
Из |
(1.3) — (1.5) следует, |
что в q-ю нормальную |
волну |
|
входят азимутальные пространственные гармоники с ин дексами x — q + mM.
Поля и токи в соседних симметричных точках |
(в точ |
|
ках, совмещающихся при повороте системы вокруг |
оси |
|
z на угол 2я/М) связаны соотношениями: |
|
|
(г, <Р+ 2тг/М, z) — Ед (г, <р, г) ехр [— Йтау/М]; |
| |
( 1- 6) |
J, (г, <? + 2ъ/М , z) = ], (г, ср, z) exp [— i2%qjM\. |
> |
|
J |
|
|
Из (1.6) следует, что поля и токи в указанных точках одинаковы по амплитуде и сдвинуты по фазе на 2nq/M. Если возбуждающие заходы спирали э. д. с. (или токи) одинаковы по амплитуде и сдвинуты по фазе на указан ную .величину, в системе возбуждается только q-я нор мальная. волна. В этой волне при заданных геометриче ских размерах спирали в зависимости от частоты может резонировать та или другая азимутальная пространст венная гармоника, входящая в возбуждаемую нормаль ную волну. Резонирующая пространственная гармоника
16