ВИДЕО ОНЛАЙН
КОНСУЛЬТАЦИИ
Джаз

Статьи и обзоры систем автоматизации и безопасности

ПРЕДЫДУЩАЯ СТАТЬЯПРЕДЫДУЩАЯ СТАТЬЯСЛЕДУЮЩАЯ СТАТЬЯСЛЕДУЮЩАЯ СТАТЬЯ

09 октября 2011

Спиральные антенны СВЧ

 

На частотах выше 300 МГц и выше широкое применение находят цилиндрические спиральные антенны бегущей волны. Один из вариантов исполнения спиральной антенны приведён на рис.1. Она представляет собой спираль диаметром D и шагом намотки S, и металлического рефлектора, выполненного в виде диска или квадрата с размером ≈2D.

В зависимости от геометрических параметров (электрической длины периметра витка с и электрической длины шага спирали S) спиральной антенны, в ней могут возбуждаться различные типы волн (моды). Наибольшее значение на характер излучения антенны оказывает фазовое соотношение между соседними витками спирали.

Нас интересует волна Т1 (рис.2), для которой характерно отличие на 360 градусов фазы токов на соседних витках.

Волна Т1 образуется при электрической длине периметра витка, близкой к длине волны λ, при этом спиральная антенна работает в режиме осевого излучения (максимум излучения совпадает с осью спирали).

Рис.1 Цилиндрическая спиральная антенна. Рис.2 Распределение тока в витке.

 
Оптимальные размеры спиральной антенны:

 

  • Диаметр витка D=λ/π
  • Шаг спирали S=0,25λ
  • Угол спирали α=12°

 

Входное сопротивление антенн, при условии 12°≤α≤15°, 0,75λ<с<1,33λ и количестве витков n>3 равно:

 

RА≈140·с/λ (ом)

 

Ширина основного лепестка диаграммы направленности по уровню половинной мощности:

 

θ0,5=52·λ/с·√nS/λ (градусов)

 

На рис.3 изображён результат расчёта диаграммы направленности спиральной антенны в вертикальной и горизонтальной плоскости с помощью программы MMANA.

 

   
 

Параметры антенны:

Рабочая частота:

Диаметр витка:

Шаг спирали:

Количество витков:

Диаметр провода:

Входное сопротивление:

Коэффициент усиления:

 

2450 МГц

0,382λ

0,25λ

10

3 мм

135,2 ом

17,36 dBi

Рис.3 Диаграмма направленности спиральной антенны.

 

Цилиндрические спиральные антенны, работающие в режиме волны Т1 имеют круговую поляризацию. При приёме сигнала антенной с линейной поляризацией (вертикальной или горизонтальной) сигнал будет ослаблен на 3дБ (в два раза). Чтобы этого избежать, можно использовать систему из двух спиральных антенн с противоположным направлением намотки спирали и питаемых синфазно, расположенных на расстоянии 0,5 λ или 1,5 λ (рис.4).

Рис.4 Система из двух антенн Рис.5 Однопроводная линия

 

Входное сопротивление такой антенной системы будет равно 67,6 ома, что хорошо согласуется с волновым сопротивлением коаксиального кабеля (КСВ 1,1 и 1,35 для 75 и 50 омного кабеля соответственно). Волновое сопротивление однопроводной линии (рис.5) участка ab должно соответствовать входному сопротивлению спиральной антенны (≈140ом). Для этого необходимо выдержать соотношение e/d равным ≈2,75.

Для согласования одиночной антенны или антенной системы, состоящей из трёх и более антенн в данном случае можно использовать экспоненциальный согласующий трансформатор, конструктивно выполненный в виде полосковой линии (рис.6). У экспоненциальной линии волновое сопротивление изменяется вдоль её длины по закону:

 

Z0(x)=Z01ebx, где

 

Z01- волновое сопротивление линии на входе

Z0(x) - волновое сопротивление линии в сечении, расположенном на расстоянии х от её начала

b - параметр, показывающий скорость изменения волнового сопротивления линии

 

В зависимости от КСВ и известного отношения Z02/Z01 волновых сопротивлений в конце и в начале линии её минимальную длину расчитывают по формуле:

, где ;

 
 Рис.6 Полосковая линия Рис.7   Экспоненциальный согласующий трансформатор

 

На рис.7 изображён экспоненциальный согласующий трансформатор, расчитаный на согласование сопротивлений 140 ом и 50 ом на частоте 2450 МГц при КСВ 1,2. Расстояние e равно 7 мм, диэлектрик - воздух (ε=1), толщина материала d 1 мм.

Благодаря высокому коэффициенту усиления и стабильности электрических параметров, ввиду невысокой чувствительности к внешним факторам и отклонениям в геометрии, цилиндрические спиральные антенны могут найти широкое применение в системах связи и безопасности для организации дальней связи.

 

Литература

Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ.

Беньковский З., Липинский Э. Любительские антенны КВ и УКВ.

 

Уронов Л.Г.

ООО «ТехноСфера», 2011 г.

ЗАКАЗ ЗВОНКА