7.5.6 Плоская арифметическая спиральная антенна

В процессе развития радиотехники все больше требуются антенно-финдерные устройства, рассчитанные на работу в очень широком диапазоне частот и притом без всякой перестройки. Частотная независимость таких антенно-фидерных устройств основана на принципе электродинамического подобия.

Этот принцип состоит в том, что основные параметры антенны (ДН и входное сопротивление) остаются неизменными, если изменение длины волны λ сопровождается прямо пропорциональным изменением линейных размеров активной области антенны. При соблюдении данного условия антенна может быть частотно – независимой в неограниченном диапазоне волн. Однако размеры излучающей структуры конечны и рабочий диапазон волн любой антенны тоже ограничен.

Арифметическая спираль выполняется в виде плоских металлических лент или щелей в металлическом экране (рисунок 7.12). Уравнение этой спирали в полярных координатах

(7.9)

где р – радиус-вектор, отсчитываемый от полюса О ;а — коэффициент, характеризующий приращение радиус-вектора на каждую единицу приращения полярного угла φ;b — начальное значение радиус- вектора.

Рисунок 7.12 - Арифметическая спираль

Спираль может быть двухзаходной, четырехзаходной и т. д. Если спираль двухзаходная, то для ленты (щели) I, показанной штриховыми линиями, угол φ отсчитывается от нуля, а для ленты II, показанной сплошными линиями, – от 180º, т. е. спираль образована совершенно идентичными лентами, повернутыми на 180º друг относительно друга.

Начальные точки ленты I соответствуют радиус-векторам , которые обозначим b₁ и b₂. Следовательно, ширина ленты . Описав один оборот ( ), лента занимает положение D, в котором радиус – вектор больше начального на . На этом отрезке ВD размещаются две ленты и два зазора, и если ширина их одинаковая, то . Отсюда определяем коэффициент

Питание спирали может быть противофазным, как на рисунке 7.12, или синфазным. В первом случае токи через зажимы A, В, соединяющие ленты с фидером, имеют противоположные фазы. Путь тока в ленте I больше, чем в ленте II, на полвитка. Например, в сечение СD лента II попадает, описав полвитка, а лента I – один виток, в сечение ЕF — соответственно полтора и два витка и т. д. Поскольку длина витка по мере развертывания спирали возрастает, увеличивается расхождение фазы токов в лентах. Обозначив средний диаметр витка d_ср, находим сдвиг по фазе, соответствующий длине полувитка:

Если к этому прибавить начальный сдвиг, равный π, то получим результирующее расхождение по фазе токов в смежных элементах двухпроводной линии

За счет второго слагаемого угол ψ отличен от π, а в таких условиях электромагнитные волны излучаются, даже если зазор между лентами мал по сравнению с длиной волны.

Интенсивно излучает только та часть спирали, в которой токи смежных элементов обеих лент совпадают по фазе: Подставляя k= 1, находим, что средний диаметр первого «резонансного» кольца d_1ср = λ /π, а периметр этого кольца . Средний диаметр и периметр второго (k=2), третьего (k=3) и т. д. «резонансных» колец соответственно в три, пять, ... раз больше. Так как излучение радиоволн спиралью вызывает большое затухание тока от ее начала к концу, то интенсивно излучает только первое резонансное кольцо, а остальная, внешняя часть спирали как бы “отсекается” (явление отсечки излучающих токов).

Активная часть спирали представляет наибольший интерес и по другой причине. Затухание тока, вызванное излучением, настолько велико, что отражение от конца спирали практически отсутствует, т. е. ток в спирали распределяется по закону бегущих волн. К тому же периметр первого резонансного кольца равен длине волны λ. В таких условиях происходит осевое излучение с вращающейся поляризацией, которое в данном случае наиболее желательно.

Диаметр спирали должен быть достаточно велик, чтобы на максимальной волне диапазона λ_макс сохранилось первое «резонансное» кольцо ( ), а с уменьшением длины волны это кольцо должно сжиматься до тех пор ( ), пока оно еще может полностью разместиться вокруг узла питания. Тогда в пределах ... λ_макс отношение среднего периметра первого “резонансного” кольца к длине волны λ остается постоянным и тем самым выполняется основное условие сохранения направленных свойств антенны в широком диапазоне волн ... λ_макс. Правда, направленность арифметической спирали невелика ( ), поскольку в излучении волн участвует, по существу, только та часть спирали, которая имеет средний периметр, равный λ.

Второе условие получения диапазонной антенны – постоянство входного сопротивления достигается здесь тем, что спираль работает в режиме бегущей волны тока. Это сопротивление активное (100 – 200 Ом). При питании от коаксиального фидера (Z_вф = 50 Ом) согласование производят ступенчатым или плавным трансформатором.

Спираль излучает по обе стороны своей оси. Чтобы сделать антенну однонаправленной, ленточную спираль помещают на диэлектрической пластине толщиной λ₀/4, другую сторону которой металлизируют. Если же спираль щелевая, то ее вырезают на стенке металлического короба; тогда противоположная стенка короба играет роль отражающего экрана, а сам короб является резонатором. Чтобы уменьшить его глубину, короб заполняют диэлектриком. Одна из типовых спиралей имеет диаметр 76 мм, выполнена на пластине из эпоксидного диэлектрика, снабжена резонатором глубиной 26 мм, работает в диапазоне волн λ = 7,5 ... 15см при k_св<2, ширине диаграммы направленности 2θ’ = 60 ... 80° и коэффициенте эллиптичности в направлении максимума главного лепестка менее 3 дБ, т. е. практически поляризацию можно считать круговой. Плоские спиральные антенны удобно изготовлять печатным способом на тонких листах диэлектрика с малыми потерями на высоких частотах.