Назад в библиотеку
Е.Ю. Лапикова, В.В. Паслен
Донецкий национальный технический университет
Спиральные антенны в телекоммуникационных сетях
Доклад на ІІ Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "КОМПЬЮТЕРНЫЙ МОНИТОРИНГ И ИНФОРМАЦИОНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ" 2006.
Стремительное развитие телекоммуникаций вызвало практическую потребность в антеннах, которые бы обеспечили излучение и прием поля с круговой или близкой к ней эллиптической поляризацией в широком диапазоне частот. Электромагнитные волны при прохождении атмосферы испытывают изменение (вращение) плоскости поляризации. Прием такого поля антенной с линейной поляризацией сопровождается глубокими поляризационными замираниями. Чтобы избежать этого, антенна должна принимать волны с взаимно перпендикулярными поляризациями, то есть обладать круговой или эллиптической поляризацией.
Среди антенн с круговой поляризацией различают спиральные, турникетные, щелевые (крестообразные), рупорные с волноводным возбудителем (круглым), поляризационные пластины (решетки), микрополосковые линии. Преимущество же спиральных антенн в том, что они способны работать в широкой полосе частот с коэффициентом перекрытия от 1,5 до 10.
Спиральные антенны применяются в качестве самостоятельных антенн, облучателей зеркальных и линзовых антенн, возбудителей волноводно-рупорных антенн, элементов антенных решеток и т.д.
Спиральная антенна состоит из проволочной спирали, питаемой коаксиальной либо двухпроводной линией в зависимости от количества заходов спирали. При использовании коаксиальной линии внутренний провод присоединяется к спирали, а наружная оболочка – к металлическому диску. Диск спиральной антенны служит для уменьшения токов на наружной оболочке коаксиальной линии, уменьшения колебаний входного сопротивления в рабочем диапазоне, а также ослабления излучения в задних квадрантах.
В антенне с длиной витка, равной примерно средней длине волны, и при числе витков больше трех, устанавливается режим бегущей волны. При прохождении бегущей волны тока по спирали поляризация становится близкой к круговой. Фазовая скорость волны тока вдоль провода оказывается несколько меньше скорости света, за счет чего каждый последующий соседний виток имеет несколько запаздывающую фазу тока. поэтому спиральную антенну можно рассматривать как антенну бегущей волны.
Направленные свойства спиральной антенны существенно зависят от диаметра спирали. При малых диаметрах спиральная антенна имеет максимальное излучение в плоскости, нормальной оси спирали, причем в этой плоскости получается круговая диаграмма. При диаметре спирали порядка 0,25..0,45 длины волны антенна имеет максимум излучения вдоль оси и это свойство широко применяется на практике. При дальнейшем увеличении диаметра спирали диаграмма принимает коническую форму, применяемую редко.
Спиральные антенны можно классифицировать по типу направителя (замедляющей системы) и способу обеспечения работы в широком диапазоне частот:
цилиндрические регулярные, у которых геометрические параметры (шаг, радиус, диаметр провода) постоянны по всей длине и широкополосность обусловлена наличием дисперсии фазовой скорости;
эквиугольные или частотно-независимые (конические, плоские);
нерегулярные, к которым можно отнести все другие типы спиральных антенн.
По числу заходов (ветвей) и способу их намотки спиральные антенны могут быть одно- и многозаходными с односторонней или двусторонней (встречной) намоткой.
Отсутствие или наличие дополнительного замедления фазовой скорости и способ его реализации позволяют разделить спиральные антенны на следующие типы:
из гладкого провода в однородном диэлектрике (воздухе);
из провода, обладающего собственным замедлением (импедансные спиральные антенны);
из гладкого провода с диэлектриком (спиральные диэлектрические антенны);
из провода с собственным замедлением и с диэлектриком (импедансные спирально-диэлектрические антенны).
Установлено, что условие круговой поляризации состоит в соблюдении требования: длина витка должна быть равна длине волны антенны, а так как с уменьшением длины волны величина обратная коэффициенту замедления растет, то это условие выполняется в широком диапазоне частот.
На практике число витков в антенне не превышает семи – восьми. Достижимая при этом минимальная ширина диаграммы направленности равна 30 – 400. Активное входное сопротивление антенны осевого излучения имеет величину порядка 60 -90 Ом, которое растет в небольших пределах при изменении радиуса витка спирали. Благодаря режиму бегущих волн активное сопротивление мало зависит от числа витков.
Коническая форма спиральной антенны отличается от цилиндрической спиральной тем, что радиусы витков уменьшаются к концу антенны. Поэтому условие равенства длины витка к длине волны выполняется в таких антеннах в более широком диапазоне частот.
Эквиугольные спиральные антенны относятся к более широкому классу частотно-независимых антенн. Частотно-независимые антенны бесконечных размеров работают теоретически в неограниченном диапазоне частот, поскольку в структуре антенны практически каждой длине волны соответствует излучающий элемент неизменной формы, а соотношение размеров длины витка излучающего элемента к длине волны остается постоянным (форма антенны определяется только углами). Для реализации на практике частотно-независимых антенн необходимо, чтобы структура конечных размеров имела бы такие же электрические характеристики и параметры, как и бесконечная структура. Этого можно достигнуть, если структура удовлетворяет принципу «отсечки тока», то есть в том случае, если на некотором участке структуры амплитуда тока резко уменьшается вследствие интенсивного излучения. Тогда высокочастотный предел рабочего диапазона структуры конечных размеров определяется размерами области возбуждения структуры, а низкочастотный – максимальными габаритами антенны.
Теория и практика эквиугольных конических и плоских импедансных и спирально-диэлектрических антенн почти не разработаны. В существующих конструкциях диэлектрические детали (полые тонкостенные конусы, тонкие пластины и стержни) применяются для придания жесткости спиральной структуре. Но они оказывают слабое влияние на электрические характеристики и параметры антенны, так как толщина диэлектрика очень мала.
Практически используемые конструкции конических и плоских эквиугольных спиральных антенн не являются, строго говоря, частотно-независимыми. В настоящее время мы занимаемся сравнительной оценкой различных типов спиральных антенн и методик их расчета.