Основные сведения

Одна из возможных схем спиральной антенны приведена на рис. 6.70. Данная антенна характеризуется следующими параметрами: диаметром спирали D, длиной витка L, шагом спирали S, углом спирали α. Спиральная антенна возбуждается с помощью коаксиального кабеля, внутренняя жила которого соединена со спиралью. Внешняя жила кабеля (его экран) соединена с рефлектором, выполненным обычно в виде диска диаметром D_Э.

Форма диаграммы направленности спиральной антенны существенным образом зависит от электрической длины периметра витка c/λ, а также от электрической длины шага спирали S/λ. Наиболее типичные формы диаграмм направленности спиральной антенны показаны на рис. 6.71б.

В спиральной антенне в зависимости от ее электрических параметров могут возбуждаться различные типы волн (моды). Анализ возникновения различных типов колебания и структуры поля спиральной антенны лежит вне границ данной книги. Здесь приведем некоторые качественные соображения по данному вопросу. Обратимся к графикам на рис. 6.71. Горизонтальная ось этого графика соответствует спиральной антенне, выполненной в виде длинной линии, т. е. в данном случае периметр витка спирали c_λ = 0. Вертикальная ось соответствует другому предельному случаю спиральной антенны, а именно — петле с шагом S_λ = 0. Реальные спиральные антенны, у которых ни шаг, ни периметр витка не равны нулю, имеют характеристики, соответствующие конечным значениям параметров c_λ ≠ 0 и S_λ ≠ 0. Из графика следует, что существуют отдельные области, определяемые соотношением параметров c_λ и S_λ, в которых возникают различные собственные волны, которым свойственны разные диаграммы направленности. Области, соответствующей собственной волне T₀R₀, соответствует диаграмма направленности, аналогичная диаграмме направленности короткого диполя. Области T₁R₁ соответствует возбуждение замедленной волны, которой свойственна диаграмма направленности, приведенная справа на рис. 6.71б. Дальнейшее увеличение длины витка спирали приводит к образованию нового типа волны в спирали и диаграмме направленности, показанной в середине рис. 6.71б.

На характер излучения спиральной антенны наибольшее влияние оказывает фазовое соотношение между соседними витками спирали. Так, например, волну Т₀ характеризует небольшой фазовый сдвиг между токами в соседних витках спирали. Для волны T₁ характерно отличие на 360° фазы токов на соседних витках. Для волны Т₂ фаза возбуждения тока дважды изменяется только на одном витке спирали (рис. 6.72).

На практике находят применение в основном спиральные антенны, в которых используются моды Т₀ и T₁.

Надо отметить, что по сравнению с дипольными антеннами у спиральных антенн размеры являются менее критичными. В самом деле, без особых ухудшений параметров спиральной антенны можно изменять периметр витка спирали в пределах от 0,8λ до 1,4λ, а шаг S от 0,1λ до 0,5λ для антенны, характеризуемой углом α = 5°...20°. Практика показала, что наиболее оптимальные размеры спиральной антенны таковы: c = λ, S = 0,25λ и α = 12°...14°. Некритичность спиральной антенны к точности выполнения — большое се преимущество, по достоинству оцененное радиолюбителями.

Входное сопротивление спиральных антенн, для которых выполняется условие c < 0,66λ, сильно зависит от частоты. При условии, что 0,75λ < с < 1,33λ (это эквивалентно волне типа T₁) и выбраны соответствующие значения угла α, входное сопротивление спиральной антенны практически не меняется. На графиках рис. 6.73 приведены диаграммы изменения сопротивления R + iX для двух различных спиральных антенн: для антенны, имеющей восемь витков и угол α = 12° (рис. 6.73а), и для антенны, имеющей пять витков и угол α = 18° (рис. 6.73б). R и X на этих диаграммах являются функциями отношения c/λ.

Анализ приведенных диаграмм, а также диаграмм других спиральных антенн показывает, что при условии 12° ≤ α ≤ 15° и 0,75λ < c < 1,33λ, а также при n > 3 $$\begin{equation}R_A=140\frac{c}{\lambda}\end{equation}\tag{6.13}$$ где R_A дано в омах.

Ширина диаграммы направленности (по уровню половинной мощности) спиральной антенны зависит от ее длины. Принято характеризовать длину отношением nS/λ, где λ — длина волны в свободном пространстве. Изменение ширины диаграммы направленности антенны при изменении параметра nS/λ показано на рис. 6.74. Из анализа графиков, приведенных на этом рисунке, следует, что на ширину диаграммы направленности оказывает влияние и электрическая длина витка спирали, т. е. отношение c/λ. Из графиков следует также, что одну и ту же ширину диаграммы можно получить, используя две различные антенны. Например, для получения ширины диаграммы 30° можно применить антенну, характеризуемую следующими параметрами: nS/λ = 2 и c = 1,2λ. Такую же ширину можно получить, изготовив и антенну с параметрами nS/λ = 4,8 и c = 0,8λ. Качественная картина изменения ширины диаграммы направленности спиральной антенны в зависимости от способа ее изготовления показана на рис. 6.74б.

Для расчета конструктивных параметров спиральной антенны, необходимых для реализации заданной ширины диаграммы направленности по уровню половинной мощности θ_0,5 или по первым нулям диаграммы θ₀, можно пользоваться следующими формулами: $$\begin{equation}\theta_{0,5}=52\frac{\lambda}{c\sqrt{\dfrac{nS}{\lambda}}}\end{equation}\tag{6.14}$$ $$\begin{equation}\theta_0=115\frac{\lambda}{c\sqrt{\dfrac{nS}{\lambda}}}\end{equation}\tag{6.15}$$

Диапазонные свойства характеристик излучения спиральной антенны иллюстрируются серией диаграмм, приведенных на рис. 6.75.

Приведенные на рис. 6.75 диаграммы соответствуют спиральной антенне, имеющей шесть витков и угол α = 14°. При изменении частоты от 275 до 560 МГц периметр спирали меняется от 0,66λ до 1,35λ. Графики показывают, что оптимальное с рассматриваемой точки зрения значение C/λ находится в пределах 0,97...1,22.

Усиление спиральной антенны зависит от параметра nS/λ и электрической длины периметра витка, т. е. от отношения C/λ. Коэффициент направленного действия спиральной антенны можно оценить по формуле $$\begin{equation}D=\frac{15nC^2S}{\lambda^3}\end{equation}\tag{6.16}$$

На рис. 6.76 приведены графики, позволяющие определить усиление спиральной антенны.

При оценке рабочей полосы частот пользуются сразу двумя критериями: изменением направленных свойств и изменением согласования спиральной антенны. В качестве примера рассмотрим спиральную антенну с шестью витками и углом α = 14°. Диаграмма направленности данной антенны при работе на различных частотах рассматривалась ранее (см. рис. 6.75). На графиках рис. 6.77а приведены результаты измерения K_стU в диапазоне частот от 200 до 700 МГц, а также изменение ширины диаграммы направленности в том же частотном диапазоне, полученные в результате обработки диаграмм на рис. 6.75. Эти результаты переносятся в новую систему координат, образованную электрическим диаметром D_λ и электрическим шагом витка спиральной антенны (рис. 6.77б). Частоты F₁ и F₂ являются критическими, выше и ниже которых происходит недопустимое ухудшение хотя бы одного из двух параметров антенны. За проектную частоту, для которой рассчитываются остальные характеристики антенны, принимается частота F₀.