Спиральные антенны могут осуществлять два принципиально различных режима излучения:
- режим продольного излучения, при котором максимум излучения спиральной антенны ориентирован вдоль ее оси. Этот режим работы в основном используется в диапазоне УКВ;
- режим поперечного излучения, при котором максимум излучения антенны находится в плоскости, перпендикулярной ее оси. Спиральные антенны в этом режиме работы используются в диапазоне КВ.
Здесь будем анализировать антенны, работающие в режиме поперечного излучения. Этот режим работы спиральной антенны достигается при условии, что и диаметр спирали, и ее шаг меньше λ/2.
Длина антенны h = l/2 = Kλ/4 зависит от коэффициента укорочения K, который в данном случае определяется по формуле $$\begin{equation}K=\frac{4h}{\lambda_0}=\frac{1}{\sqrt{1-\left(20nD\right)^{2,5}\sqrt\frac{D}{\lambda_0}}}\end{equation}\tag{5.6}$$ где n — число витков на 1 см (плотность намотки); D — диаметр спирали в сантиметрах; λ0 — длина волны в свободном пространстве, заданная в сантиметрах.
При известной длине h плеча и известной плотности намотки n целое число витков, приходящихся на одно плечо, N = nh. Плотность намотки рассчитывается по формуле $$\begin{equation}\lg{n}=0,4\left(\lg\left(\frac{\lambda_0}{h}-4\right)+\lg\left(\frac{\lambda_0}{h}+4\right)+\frac{1}{2}\lg{\lambda_0}-3\lg{D}\right)-1\end{equation}\tag{5.7}$$
Для упрощения расчетов можно пользоваться графиком зависимости N=f(h) (рис. 5.107). Из этого графика, в частности, следует, что нецелесообразно превышать некоторое оптимальное число витков.
При изменении диаметра D число витков N необходимо изменить. Новое оптимальное число витков пересчитывается по формуле $$\begin{equation}\lg\left(\frac{N_2}{N_1}\right)=-1,2\lg\left(\frac{D_2}{D_1}\right)\end{equation}\tag{5.8}$$
Эта зависимость также представлена на рис. 5.107.
Отметим, что сопротивление излучения данной антенны при большом укорочении, т. е. при малом K, мало. Его можно рассчитать по следующей приближенной формуле: $$\begin{equation}R_{изл}=8\pi^{2}K^2\end{equation}\tag{5.9}$$
Так, например, при К = 0,3 сопротивление излучения Rизл = 8,6 Ом.
Добротность спиральной антенны $$\begin{equation}Q=7,5\left(\ln\frac{4h}{D}-1\right)K^{-3}\end{equation}\tag{5.10}$$ а ширина полосы по уровню — 3 дБ $$\begin{equation}B=\frac{2f}{Q}\end{equation}\tag{5.11}$$
Отметим, что КПД спиральной антенны сильно уменьшается при укорочении антенны. Для расчета этого параметра можно воспользоваться формулой $$\begin{equation}\eta=\frac{1}{1+\dfrac{P_{пот}}{P_{изл}}}=\frac{1}{1+\dfrac{0,0121}{d\sqrt{f}K^2}}\end{equation}\tag{5.12}$$ где Pпот — мощность потерь; Pизл — мощность излучения; d — диаметр провода в миллиметрах; f — частота в мегагерцах. Отметим, что формула получена в предположении, что спираль выполнена из медного провода.
При конкретном проектировании спиральных антенн можно пользоваться данными, приведенными в табл. 5.18. Эти данные справедливы при использовании в качестве несущей конструкции спиральной антенны стекловолоконного прута диаметром 12,4 мм. Если в распоряжении радиолюбителя окажется прут другого диаметра, то необходимо несколько скорректировать приведенные данные, для чего необходимо воспользоваться формулой (5.8).
| Диапазон, МГц | Число витков для l, м | Диапазон, МГц | Число витков для l, м | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1,2 | 1,8 | 2,4 | 3,0 | 3,6 | 1,2 | 1,8 | 2,4 | 3,0 | 3,6 | ||
| 1,80 | — | 6150 | 6500 | 6800 | 7050 | 14,15 | 716 | 772 | 810 | 836 | — |
| 3,50 | 3000 | 3160 | 3340 | 3500 | — | 21,20 | 476 | 508 | 526 | 532 | — |
| 3,80 | 2680 | 2900 | 3080 | 3500 | — | 28,00 | 356 | 376 | 382 | 374 | — |
| 7,05 | 1440 | 1560 | 1650 | 1740 | — | 30,00 | 332 | 348 | 350 | 338 | — |
Отметим, что для рефлектора используется та же самая плотность намотки, а сам рефлектор примерно на 5% длиннее, чем вибратор.
Антенна излучает так же, как обычная неукороченная двухэлементная антенна. Несколько меньше значение усиления по сравнению с обычным диполем обусловлено меньшим КПД.
На рис. 5.107в приведена конструкция спиральной антенны, предназначенной для работы в диапазоне 28 МГц. Она выполнена из медного провода диаметром 2 мм. Как показала практика, длина провода диполя близка к λ/2. Расстояние R—W должно быть близким к λ/4. Последнее обстоятельство не приводит к значительному снижению входного сопротивления антенны. Подстройка антенны на максимальное значение усиления или на требуемое отношение F/B достигается путем изменения плотности намотки спирали в средней части плечей антенны. Кроме того, при подборе N и h можно в определенной степени регулировать входное сопротивление антенны.
На рис. 5.107г показана антенна, сконструированная радиолюбителями с позывными W1CER и W1FBY для диапазона 7 МГц. В этом случае коэффициент укорочения К = 0,28. Вибратор возбуждается так, как показано на рис. 5.101. Резонансная частота вибратора равна 7,05 МГц. Рефлектор содержит катушку с большим значением индуктивности. Поэтому его резонансная частота составляет 6,84 МГц. Входное сопротивление антенны равно 12 Ом. Поэтому требуется симметрирующий трансформатор с коэффициентом трансформации 1 : 4. Сама спираль выполнена из медного провода диаметром 1,6 мм в полихлорвиниловой изоляции. Шаг витка спирали составляет 7,7 мм (13 витков на 10 см).