В окружающем нас мире часто очень важным оказывается тот факт, что человек не может обойтись без большого количества необходимой и своевременной информации. Эта информация может носить как мирный так и военный характер, но она предназначена прежде всего для облегчения деятельности человека.
Одной из разновидностью устройств служащих для приема и передачи информации являются антенны.
В данной курсовой работе будут рассмотрены вопросы расчета антенны, удовлетворяющей поставленным техническим требованиям.
2. Цель работы
Целью работы является изучение спиральной антенны ДЦМВ диапазона, что подразумевает собой расчет геометрических размеров антенны, ее характеристик излучения.
3. Краткий обзор спиральных антенн
Спиральные антенны относятся к классу антенн бегущей волны. Они представляют собой металлическую спираль, питаемую коаксиальной линией. Имеется довольно много разновидностей спиральных антенн, однако почти все можно свести к следующим трем типам:
а) цилиндрическая (см. рисунок 3.1) ;
б) коническая (см. рисунок 3.2) ;
в) плоская (см. рисунок 3.3).
Рисунок 3.1 - Цилиндрическая антенна.
Рисунок 3.2 - Коническая антенна.
Рисунок 3.3 - Плоская антенна.
В зависимости от числа ветвей спирали, они могут быть однозаходные (одна ветвь), двухзаходные (две ветви) и т.д.
Принцип действия спиральных антенн
Спиральная антенна (рис. 4.1) состоит из проволочной спирали , питаемой коаксиальной линией. Внутренний провод этой линии присоединяется к спирали, а наружная оболочка - к металлическому диску.
Спиральные антенны формируют диаграмму направленности, состоящую из двух лепестков, расположенных вдоль оси спирали по разные стороны от нее. На практике обычно требуется одностороннее излучение, которое получают, помещая перед экраном (диском). Кроме того диск спиральной антенны служит для уменьшения токов на наружной оболочке коаксиальной линии, уменьшения колебаний входного сопротивления в рабочем. Диаметр диска выбирается порядка (0.8-1.5)l, где l - длина спирали. Диск не обязательно выполнять из сплошного листа, его можно изготовить из системы радиальных и круговых проводов.
4. Основа работы цилиндрической спиральной антенны
Подробные исследования показали, что на излучающей цилиндрической спирали одновременно существует несколько типов тока, отличающихся друг от друга амплитудой и числом периодов, укладывающихся вдоль оси спирали со своим затуханием и со своей фазовой скоростью. Однако форма диаграммы направленности спирали зависит, в основном, лишь от одной, преобладающей волны, тип которой определяется соотношением между длиной витка спирали и рабочей длиной волны.
Введем следующие обозначения:
Рабочая длина волны в свободном пространстве;
Т q - волна тока в спирали q-го типа; q=0,1,2…. Целое число, указывающее, сколько периодов волны тока укладывается вдоль одного витка спирали;
V q - скорость распространения волны тока Т q по проводу спирали;
С - скорость света в свободном пространстве;
D - диаметр витка цилиндрической спирали.
Известно три режима работы цилиндрической спиральной антенны:
Когда длина витка спирали меньше 0.65 (при этом длина волны >5D), на ней преобладает волна Т 0 , характеризующаяся изменением фазы тока в пределах 360 0 на протяжении нескольких витков. Волна Т 0 от конца спирали приводит к образованию стоячих волн, которые и формируют диаграмму направленности антенны. Волна Т 1 имеет весьма малую амплитуду и в излучении не участвует. Максимальное излучение для этого случая получается в плоскости, перпендикулярной оси спирали(рис 4.2а) и в этой плоскости оно не направлено.
Если длина витка лежит в пределах от 0.75-1.3 (длина волны соответственно =4D-2.2D), на ней преобладает волна Т 1 , фазовая скорость которой меньше скорости света V 1 0.82 C. Волна Т 1 интенсивно излучается всеми витками, поэтому в спирали устанавливается бегущая волна тока, формирующая максимум излучения вдоль оси спирали (рис 4.2 б). Имеющаяся также на спирали волна Т 0 быстро затухает по длине спирали и ее вклад в диаграмму направленности невелик.
Режим осевого излучения является основным, наиболее используемым режимом для работы спиральных антенн, поэтому волна Т 1 , являющаяся преобладающей, когда длина провода витка спирали примерно равна рабочей длине волны, называется основной.
При длине витка спирали, большей 1.5 (в этом случай <2D), на цилиндрической спирали помимо основного типа волны Т 1 возникают волны Т 2 , Т 3 и т.д. Волна Т 1 становится затухающей, в то время как Т 2 имеет постоянную амплитуду и является определяющей в излучении. Максимальное излучение получается в направлениях, образующих острый угол относительно оси антенны, и пространственная диаграмма получается в форме конуса
Рисунок 4.1 - схема возбуждения спиральной антенны.
Рисунок 4.2 - спирали, имеющие разный диаметр, и соответствующие им диаграммы направленности.
5. Расчет параметров цилиндрической антенны
Параметрами цилиндрической спирали являются:
n - число витков спирали,
Угол подъема витка,
R - радиус спирали,
l - осевая длина спирали,
S - шаг спирали,
L - длина витка спирали.
Между указанными параметрами существуют следующие соотношения (см Рис 5.1):
Рисунок 5.1
Диаметр витков спирали и шаг намотки должны быть выбраны таким образом, чтобы каждый виток имел поляризацию, близкую к круговой, и максимальное излучение в направлении оси спирали (ось Z). Кроме того, нужно, чтобы напряженности полей, создаваемых отдельными витками в направлении оси Z, складывались в месте приема в фазе или с небольшим сдвигом фаз. В соответствии с теорией антенны бегущей волны максимальный коэффициент направленого действия получается в том случае, когда сдвиг фаз A1 между напряженностью поля, создаваемого первым (от источника) витком, и напряженностью поля, создаваемого последним витком, равен.
Для обеспечения круговой или близкой к ней поляризации поля, а также для обеспечения интенсивного излучения каждого витка в направлении оси Z нужно, чтобы длина витка была близкой к. Сказанное можно пояснить следующим образом. Предположим, что шаг витка бесконечно мал, тогда виток образует плоскую рамку. Как известно, в спиральной антенне КБВ получается близким к единице. Предположим поэтому, что в спиральной антенне имеет место режим бегущей волны. Предположим, кроме того, что скорость распространения тока по витку равна скорости света. При этом сдвиг фаз между током в начале и в конце витка равен.
В направлении оси Z составляющие векторов напряженностей поля Ex и Ey будут одинаковой величины.Сдвиг фаз между этими составляющими будет равняться /2. Последнее следует из того, что токи в элементах витка, ориентированных параллельно оси X, сдвинуты по фазе на /2 по отношению к фазе токов в элементах, ориентированных параллельно оси Y. Равенство величин Ex и Ey и сдвиг фаз между ними, равный /2, обеспечивает круговую поляризацию. При длине витка, равной, и скорости распространения тока вдоль провода, равной скорости света, обеспечивается также интенсивное излучение в направлении оси Z. Последнее может быть приближенно доказано следующим образом. Рассмотрим два произвольных элемента витка, расположенных симметрично относительно центра, например элементы 1 и 2 (рис. 5.2). Каждый из этих элементов имеет максимальное излучение в направлении оси Z. Векторы E, создаваемые этими элементами в направлении оси Z, паралллельны касательным к окружности в точках 1 и 2. Сдвиг фаз между токами в элементах 1 и 2 вследтвии режима бегущей волны равен. Кроме того, токи в этих элементах имеют противоположные направления, что эквивалентно дополнительному сдвигу фаз, равному. Таким образом, поля обоих элементов в направлении оси Z складываются в фазе. Нетрудно показать, что любые два симметрично расположенных элемента создают в направлении оси Z синфазные поля, что обеспечивает интенсивное излучение в этом направлении.
Приведенное здесь элементарное изложение принципа работы спиральной антенны не учитывает всей сложности происходящих в ней процессов и, в частности, то, что в действительности имеет место значительное отражение энергии от спирали. Кроме того, волна вдоль антенны распространяется как непосредственно вдоль провода, так и через пространственную связь между витками, что создает более сложную картину распределения тока.
Рисунок 5.2.
Для обеспечения круговой или близкой к ней поляризации поля, а также обеспечения интенсивного излучения каждого витка в направлении оси Z необходимо, чтобы длина витка была близкой к.
Шаг намотки и диаметр витка выбраны таким образом, что сдвиг фаз между напряженностями полей, создаваемых первым и последним элементами витка, то в направлении оси Z сохраняется круговая поляризация и максимальное излучение. Это будет иметь место при удовлетворении соотношения:
2????????????????
Сдвиг фаз между полями начального и конечного элементов витка, определяемый разностью хода лучей от этих элементов; - сдвиг фаз полей этих элементов, определяемый сдвигом фаз токов этих элементов.
Из вышеуказанного уравнения получаем соотношение между L и S, соответствующее круговой поляризации:
Если выбрать соотношение между S и L в соответствии с этой формулой, то сдвиг фаз между полями, создаваемыми в направлении Z соседними витками, также будет равняться 2. Таким образом поля всех витков антенны складываются в фазе, что обеспечивает максимальное излучение в направлении оси Z. Однако такой режим работы спиральной антенны не соответствует максимальному значению КНД. Максимальный КНД получается при сдвиге фаз между полями первого и второго витков, равном. Для этого нужно, чтобы:
где n - число витков спирали.
Из (5.3) находим соотношение между и S, соответствующее максимальному значению КНД:
При удовлетворении соотношения (5.4), однако, не получается чисто круговой поляризации, при этом несколько увеличивается уровень боковых лепестков. Коэффициент неравномерности поляризационной характеристики в направлении оси спирали равен:
Если данные антенны подобраны в соответствии с формулой (5.2) или (5.4), то хорошие направленные свойства сохраняются в значительном диапазоне, лежащем примерно в пределах от 0.75 до 1.3, где - волна, для которой подобрано оптимальное соотношение между L, C/V1, n и S.
Расчет антенны:
Исходные данные к расчету антенны
Рабочий диапазон длин волн: min=0.48 m
Ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности - 40 градусов
Расчет геометрических размеров антенны
Выберем среднее значение длины волны из заданного диапазона:
На основании экспериментальных исследований были получены следующие эмпирические формулы, справедливые для 5 Ширина диаграммы направленности по половинной мощности, выраженная в градусах: Коэффициент направленного действия(КНД) в направлении ее оси: Входное сопротивление Шаг спирали можно найти из условия (5.2), если необходимо получить круговую поляризацию, либо из (5.4), для получения максимального КНД. Пусть нам необходима круговая поляризация, тогда шаг спирали равен Удовлетворяет условию 12 0 <<15 0 , значит мы можем применить формулы, полученные на основании экспериментальных исследований: Для нахождения длины антенны, выразим l=nS из (5.7) при удовлетворении условия (5.9): А значит число витков равно: Для дальнейших расчетов округлим число n до целого: n=8, тогда l=nS=0.986м(5.14) Радиус спирали будет равен (см.рис.5.1):отсюда Входное сопротивление антенны в режиме осевого излучения остается чисто активным, так как в этом режиме в проводе спирали устанавливается режим бегущей волны. Пусть нам необходимо получить максимальный КНД, тогда Чтобы излучение антенны было осевым примем длину витка спирали равной средней длине волны заданного диапазона: шаг спирали равен Угол намотки витков будет равен: Удовлетворяет условию 12 0 <<15 0 , значит мы можем применить формулы, полученные на основании экспериментальных исследований: Для нахождения длины антенны, выразим l=nS из (5.7) при удовлетворении условия (5.18): А значит число витков равно: Для дальнейших расчетов округлим число n до целого: n=6, тогда l=nS=0.846м(5.23) Радиус спирали будет равен: Длина провода для намотки спирали будет равна: Коэффициент направленного действия: Входное сопротивление Для обоих случаев: Диаметр диска экрана принимается равным (0.9-1.1) ср Диаметр провода спирали выбирается порядка (0.03-0.05) ср Расчет диаграммы направленности: Приближенно можно считать, что амплитуда бегущей волны в спирали постоянна. Тогда диаграмма направленности антенны может быть представлена произведением диаграммы направленности одиночного витка на диаграмму направленности решетки из n ненаправленных излучателей, где n - число витков: где - угол относительно оси спирали. Это приближение справедливо тем больше, чем больше витков n имеет спираль и чем меньше шаговый угол. Диаграмма направленности одиночного витка приближенно описывается выражением Множитель решетки, как известно, равен Применительно к спиральной антенне сдвиг фаз между токами соседних витков. Учитывая, что С/V1=1.22, для расчета диаграммы направленности цилиндрической спиральной антенны получим следущее приближенное выражение: В итоге при получении максимального КНД, будем иметь диаграммы направленности для трех значений длин волн: min , ср, мах: При получении круговой поляризации, будем иметь диаграммы направленности для трех значений длин волн: min, ср, мах: Согласование антенны с коаксиалом(Zв=75 ом) Согласовать антенну с коаксиалом можно несколькими способами: Согласование четвертьволновым трансформатором: Согласование антенны с входным сопротивлением Z3=120 Ом с коаксиалом Z1=75 Ом осуществляют куском коаксиала с =95 Ом, длиной L==0.14м, а антенны с входным сопротивлением Z3=154 Ом с коаксиалом с =110 Ом Согласование коаксиальной конической линией Согласование осуществляют неотражающими конусами, длиною в целое число полуволн, путем выполнения проводников в виде соответствующих линейных конусов. Причем чем больше длина согласующего звена(укладывается больше полуволн), лучше будет осуществляться согласование с антенной. 6. Выводы по проделанной работе
спиральный антенна излучение поляризация В процессе выполнения курсового проекта был проведен расчет однозаходной цилиндрической спиральной антенны: геометрические размеры антенны и характеристики излучения антенны. Так как в основе работы спиральной антенны лежит круговая поляризация, то данный тип антенн относят к широкодиапазонным антеннам. Ниже приведены полученные результаты: шаг спирали S = 0.053 м; длина витка спирали = 0.192 м; радиус спирали = 0.03 м; длина спирали Lz = 0.567 м; коэффициент направленного действия D = 30 дБ; входное сопротивление антенны Rвх = 31.7 Ом; число витков спирали N = 6 ; угол намотки витка спирали = 16 градусов; диаметр диска антенны = 0.652 м; рабочая длина волны = 0.175 м. Список использованных источников
Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ.- М.: Связь, 1971. В 2-х частях. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. - М.: Энергия, 1973.- 440 с. Воскресенский Д.И. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов Юрцев О.А.,... Спиральные антенны. - М.: Советское радио, 1974. - 224 с. "Линии передачи сантиметровых волн", ч.I-II. Пер. с англ., под ред. Г.А.Ремеза. Изд-во "Сов.радио", 1961 лавные проблемы, возникающие при использовании беспроводных сетей стандарта 802.11b/g, это недостаточно стабильная связь из-за слабого уровня принимаемого сигнала, и сильная зависимость скорости передачи от расстояния между беспроводным сетевым адаптером и точкой доступа. Так, если в пределах комнаты (офиса) одна точка доступа в состоянии обеспечить устойчивую работу беспроводных клиентов, то гарантировать устойчивую связь с клиентом, находящимся за стеной, уже вряд ли возможно, а уж две стены сможет «пробить» далеко не каждая точка доступа. Если говорить об эксплуатации беспроводной точки доступа в квартире или офисе, ситуация, когда беспроводные клиенты находятся в разных комнатах и отделены от точки доступа стеной, а то и двумя, вполне реальна. Казалось бы, проблема решается достаточно просто: нужно лишь приобрести точку доступа с большой мощностью передатчика. Однако мощность передачи беспроводных устройств стандарта 802.11b/g регламентируется законодательными актами. В частности, в полосе частот 2400-2483,5 МГц (то есть устройств стандарта 802.11b/g) для создания радиосетей передачи данных без частотного планирования и на безлицензионной основе допускается использование передатчиков с мощностью излучения, что эквивалентно изотропно-излучаемой мощности (ЭИИМ), не более 100 мВт. В случае превышения этого показателя требуется получение в Минсвязи лицензии на создание и эксплуатацию ведомственной радиосети передачи данных. Есть и еще одно препятствие, причем более серьезное. Дело в том, что точек доступа и беспроводных адаптеров с мощностью передачи более 100 мВт, что эквивалентно 20 дБм (о том, как связаны эти единицы между собой, мы расскажем ниже), вообще нет в продаже (речь, конечно, идет об устройствах, ориентированных на конечных пользователей). Что же остается делать в сложившейся ситуации? Можно, конечно, ориентироваться на распределенные беспроводные сети. Однако это решение нельзя назвать дешевым, поскольку для увеличения зоны покрытия беспроводной сети требуется использование уже не одной, а нескольких беспроводных точек доступа. Другой способ увеличить зону покрытия беспроводной сети заключается в использовании направленных антенн, которые не меняют параметр ЭИИМ (а значит, закон не нарушается), но усиливают сигнал в определенном направлении. В этой статье мы рассмотрим наиболее типичные примеры направленных антенн и расскажем о том, как их можно сделать самостоятельно из подручных материалов. отя направленные антенны часто называются усиливающими и даже характеризуются коэффициентом усиления, но в действительности они передаваемый сигнал не усиливают. То есть если мощность передатчика, к примеру, составляет 50 мВт, то какую бы антенну мы ни поставили, мощность передаваемого сигнала от этого не изменится. Это и понятно: все антенны подобного рода являются пассивными, так что брать энергию для усиления передаваемого сигнала им попросту неоткуда. В чем же тогда заключается эффект усиления сигнала передающей антенной? Представьте себе электролампу, освещающую помещение. Свет от этой лампочки распространяется приблизительно равномерно по всем направлениям, от чего во всей комнате становится светло. Однако ту же самую лампочку можно установить в фонарь, создав позади нее параболический зеркальный отражатель. В этом случае мы получим направленное распространение света, то есть луч света, который не будет освещать всю комнату, но сможет передать свет на значительно большее расстояние. Именно по такому принципу работают и внешние антенны: они не изменяют мощности передаваемого сигнала, но меняют диаграмму его направленности. Антенны излучают энергию во всех направлениях, но эффективность передачи сигнала для различных направлений может быть неодинакова и характеризуется диаграммой направленности. Для того чтобы оценивать эффективность передачи сигнала для различных направлений, введено понятие изотропного излучателя (omni), или изотропной антенны. Изотропный излучатель это идеальный точечный источник электромагнитных волн, излучающий равномерное по плотности энергии поле сферической формы. В природе изотропных излучателей не встречается. Каждая передающая антенна, даже самая простейшая, излучает энергию неравномерно, но всегда имеется направление, в котором излучается максимум энергии. Понятие же изотропного излучателя рассматривается исключительно в качестве некоторого идеализированного эталонного излучателя, с которым удобно сравнивать все остальные антенны. Направленные свойства антенн определяются зависимостью напряженности излучаемого антенной поля от направления. Графическое изображение этой зависимости называется диаграммой направленности антенны. Трехмерная диаграмма направленности изображается в виде поверхности, описываемой исходящим из начала координат радиус-вектором, длина которого в каждом направлении пропорциональна энергии, излучаемой антенной в данном направлении. Кроме трехмерных диаграмм, часто рассматривают и двумерные, которые строятся для горизонтальной и вертикальной плоскостей. В этом случае диаграмма направленности представляет собой замкнутую линию в полярной системе координат, построенную таким образом, чтобы расстояние от антенны (центр диаграммы) до любой точки диаграммы направленности было прямо пропорционально энергии, излучаемой антенной в данном направлении. В случае идеальной изотропной антенны, излучающей энергию одинаково по всем направлениям, диаграмма направленности представляет собой сферу, центр которой совпадает с положением изотропного излучателя. При этом горизонтальная и вертикальная диаграммы направленности изотропного излучателя представляют собой окружности. В случае направленных антенн на диаграмме направленности можно выделить так называемые лепестки, то есть направления преимущественного излучения. Направление максимального излучения антенн называется главным направлением, а соответствующий ему лепесток главным. Остальные лепестки являются боковыми, а лепесток излучения, ориентированный в сторону, обратную главному направлению, называется задним лепестком диаграммы направленности антенны. Направления, по которым антенна не принимает и не излучает, называются нулями диаграммы направленности. Диаграмма направленности характеризуется и шириной. Под шириной диаграммы направленности понимают угол, внутри которого коэффициент усиления уменьшается по отношению к максимальному не более чем на 3 дБ. Практически всегда коэффициент усиления и ширина диаграммы связаны между собой: чем больше усиление, тем уже диаграмма, и наоборот. Самым простым типом антенны, который часто используется в беспроводных устройствах, является диполь Герца в радиотехнике он эквивалентен небольшой антенне, размер которой гораздо меньше длины волны излучения (рис. 1). Диаграмма направленности диполя Герца, изображенная на рис. 2, напоминает тор, поперечный разрез которого представляет собой две соприкасающиеся окружности. Приблизительно такую же форму имеют диаграммы направленности антенн различных передатчиков. Следует обратить внимание на то, что максимальный поток электромагнитной энергии излучается в плоскости, перпендикулярной оси диполя. Вдоль своей оси диполь не излучает энергии. Вертикальная и горизонтальная диаграммы направленности диполя Герца показаны на рис. 3 и 4. Еще одной важной характеристикой направленной антенны является коэффициент усиления, который показывает, во сколько раз эффективность данной антенны выше по сравнению с изотропным излучателем. Коэффициент усиления антенны определяется как отношение плотности потока энергии, излучаемого в определенном направлении, к плотности потока энергии, который был бы зафиксирован при использовании изотропной антенной. Таким образом, коэффициент усиления антенны определяет, на сколько большую напряженность поля создаст данная антенна по сравнению с изотропной на одинаковом расстоянии при прочих равных условиях. Коэффициент усиления антенны измеряется в так называемых изотропных децибелах (дБи или dBi): где k
коэффициент усиления антенны в заданном направлении; E
напряженность поля, создаваемого антенной в некоторой точке; E
omni
напряженность поля, создаваемого изотропной антенной в той же точке. Допустим, коэффициент усиления антенны в заданном направлении составляет 5 дБи это означает, что в данном направлении мощность излучения на 5 дБ (в 3,16 раза) больше, чем мощность излучения идеальной изотропной антенны. Естественно, увеличение мощности сигнала в одном направлении влечет за собой уменьшение мощности в других направлениях. Когда говорят, что коэффициент усиления антенны составляет 10 dBi, то имеется в виду направление, на котором достигается максимальная мощность излучения (главный лепесток диаграммы направленности). К примеру, при использовании беспроводной точки доступа с мощностью передатчика 20 dBm (100 мВт) и направленной антенны с коэффициентом усиления 10 dBi мощность сигнала в направлении максимального усиления составит 20 dBm + 10 dBi = 30 dBm (1000 мВт), то есть в 10 раз больше, чем в случае использования изотропной антенны. Следовательно, с такой антенной и две бетонные армированные стены не станут проблемой. В физике мощность принято измерять в ваттах (Вт), но в теории связи для измерения мощности сигнала чаще используют децибелы (дБ). Данная единица измерения является логарифмической и может использоваться лишь для сравнения одноименных физических величин. Так, если сравниваются два значения A и B одной и той же физической величины, то отношение A/B показывает, во сколько раз одна величина больше другой. Если же рассмотреть десятичный логарифм того же самого отношения (), то мы получим сравнение этих величин, но выраженное уже в белах (Б), а выражение определяет сравнение этих величин в децибелах (дБ). Если, например, говорят, что одна величина больше другой на 20 дБ, то это означает что одна величина больше другой в 100 раз. Децибелы используются не только для сравнения величин, но и для выражения абсолютных значений. Однако с этой целью в качестве второй величины, с которой производится сравнение, принимается некоторое эталонное значение. Чтобы выразить абсолютное значение мощности сигнала в децибелах, за эталонное значение принимается мощность в 1 мВт, а уровень мощности сравнивается в децибелах с мощностью в 1 мВт. Эта единица измерения, получившая название децибел на милливатт (дБм), и показывает, на сколько децибелов мощность измеряемого сигнала больше мощности в 1 мВт. Большинстве случаев точки доступа стандарта 802.11b/g комплектуются миниатюрными штыревыми антеннами (рис. 5), которые могут быть как съемными, так и несъемными. В горизонтальной плоскости такие антенны являются всенаправленными с коэффициентом усиления не более 4 dBi. Высота подобной антенны составляет 88 мм, но если такую антенну разобрать (рис. 6), то можно заметить, что длина самой антенны составляет всего 30 мм. Рис. 6. Стандартная штыревая антенна
в разобранном виде Понятно, что ожидать от такой антенны чего-то серьезного не приходится, поэтому многие производители беспроводного Wi-Fi-оборудования в качестве аксессуаров к своим точкам доступа выпускают и направленные антенны с более высоким коэффициентом усиления. Основная проблема всех таких внешних антенн это их неоправданно высокая цена: в среднем за такую направленную антенну придется выложить не менее 50 долл., хотя, по большому счету, ничего особенного в ее конструкции нет. Так почему бы не попробовать сделать такую антенну самостоятельно? В этой статье мы рассмотрим несколько схем самодельных антенн для диапазона 2400 МГц, которые можно найти на различных Интернет-сайтах. Однако прежде чем приступать к практическим шагам и бежать в магазин «Чип и Дип», нелишне ознакомиться с типами разъемов, используемых для соединения антенн с кабелем. Для соединения антенн с кабелем используются специализированные высокочастотные (ВЧ) разъемы, которые можно приобрести в специализированных магазинах (например, «Чип и Дип»). Существует несколько вариантов таких разъемов, которые отличаются друг от друга и типом резьбы (дюймовая или метрическая), и типом кабеля (RG-58, RG-8 и пр.), и другими характеристиками. Кроме того, ВЧ-разъемы различаются и по способам крепления кабеля обжимные, напаиваемые, под гайку. Все разъемы классифицируются сериями. Так, существуют разъемы серий N, BNC, F, FME, SMA, SMB, TNC, UHF. К сожалению, единого стандарта маркировки разъемов не существует, а потому каждая компания-производитель использует свое собственное обозначение разъемов. В большинстве случаев для создания направленных антенн рекомендуют использовать разъемы N-серии. Однако стоит учесть, что разъемы N-серии самые большие и что их монтаж в некоторых случаях может быть неудобен. На собственном опыте можем сказать, что вовсе необязательно использовать разъемы именно N-серии. Главное, чтобы разъем типа Male (папа) соответствовал разъему типа Female (мама): один из этих разъемов устанавливается на рефлекторе антенны, а второй монтируется на кабеле. Понятно, что разъем, монтируемый на антенне, должен иметь либо фланец, либо гайки, которые позволяют укреплять его на рефлекторе (такие разъемы называют приборными). На рис. 7-12 показаны разъемы различных серий. Нетрудно заметить, что SMA-разъемы самые миниатюрные, а N-разъемы, наоборот, самые крупногабаритные. Отметим также, что в большинстве случаев и на самих точках, и на антеннах к ним используются миниатюрные разъемы типа SMA, причем на антеннах применяются разъемы типа Female с накидной гайкой, а на точках доступа типа Male. Проблема заключается в том, что весьма непросто найти такой SMA-разъем для монтажа на антенном кабеле, чтобы он соответствовал разъему на точке доступа. Для решения данной проблемы есть три пути. Во-первых, заменить довольно редкий SMA-разъем на самой точке доступа, чтобы он согласовывался с разъемом, монтируемым на кабеле. Во-вторых, можно вообще избавиться от разъема на точке доступа и просто вывести антенный кабель напрямую этот способ используется и в том случае, когда на точке доступа есть несъемная антенна и нет никаких разъемов. В-третьих, можно изготовить нужный SMA-разъем из самой миниатюрной антенны. После того как внесена некоторая ясность в дело с типами разъемов, приступим непосредственно к моделированию и производству антенн. Для моделирования антенн можно использовать бесплатную утилиту EZNEC Demo v.4.0.15 (www.eznec.com), которая имеет ряд ограничений, но в простейших случаях вполне может использоваться для моделирования антенн. В частности, в демо-версии программы ограничено количество сегментов, из которых состоит антенна. Кроме того, невозможно использовать рефлекторы с заданными размерами, а тем более с заданной геометрией. Поэтому лучше купить или найти в Интернете полную версию программы. Утилита EZNEC Demo v.4.0.15 совместима с 32-разрядными версиями Microsoft Windows XP/2000/2003. Рассмотрим более подробно, каким образом можно моделировать антенны с использованием этой утилиты. После запуска программы мы попадаем в главное окно (рис. 13), в котором имеются основные характеристики антенны. Для конструирования новой антенны лучше всего выбрать из списка моделей, предоставляемых вместе с программой, наиболее подходящую и модифицировать ее. Чтобы получить доступ к базе моделей антенн, нужно просто нажать на кнопку Open. Рис. 13. Главное окно программы
EZNEC Demo v.4.0.15 Чтобы создать штыревую антенну, выбираем в базе модель Dipole1.ez. А для просмотра типа выбранной антенны, то есть ее схемы в декартовой системе координат, следует нажать на кнопку View Ant. В нашем случае это будет обычный стержень (рис. 14). Для моделирования нужной антенны необходимо прежде всего задать частоту излучения, поэтому в главном окне программы вместо 299,793 МГц необходимо задать частоту 2473 МГц (частота излучения на шестом канале в сетях 802.11b/g). Далее можно приступить к рисованию самой антенны. Антенна состоит из отдельных кусков проволоки, и для того, чтобы нарисовать антенну, необходимо задать координаты точек начала и конца каждого отдельного куска проволоки. Кроме того, можно задать диаметр проволоки. Все необходимые параметры геометрии антенны задаются в окне Wires. К примеру, если мы хотим изобразить вертикальную штыревую антенну длиной 30 см, то необходимо в качестве координаты начальной точки задать значения 0, 0, 0, а в качестве координаты конечной точки 0, 0, 30. Если же наша антенна должна иметь Г-образную форму, придется использовать уже два куска проволоки. Кроме того, главное окно позволяет указать положение точки подвода сигнала к антенне (точка соединения с фидером) (окно Sources), задать тип заземления, а также произвести множество других специфических настроек. После того как модель антенны сформирована, можно посмотреть ее диаграмму направленности в окне FF Plot. Утилита EZNEC Demo v.4.0.15 позволяет строить как трехмерную, так и двумерную диаграмму направленности. Для рассмотренного примера Dipole1.ez трехмерная и вертикальная двумерная диаграмма направленности показаны на рис. 15 и 16. Кроме построения диаграммы направленности, утилита EZNEC Demo v.4.0.15 позволяет рассчитать коэффициент усиления антенны и ширину главного лепестка. В нашем случае (см. рис. 16) коэффициент усиления равен 2,16 dBi, а ширина главного лепестка составляет 77,2°. Самый простой вариант антенны штыревая и именно такие антенны наиболее часто используются в беспроводных точках доступа. Штыревая антенна часто называется несимметричным вибратором. Диаграмма направленности такой антенны мало отличается от диаграммы направленности диполя Герца. В горизонтальной плоскости антенна излучает энергию во все стороны равномерно, поэтому в горизонтальной плоскости такая антенна является всенаправленной, а следовательно, не приходится говорить о преимущественном излучении в определенном направлении. Используя утилиту EZNEC Demo v.4.0.15, можно смоделировать диаграмму направленности для различных длин антенны. Типичные варианты когда длина антенны составляет четверть или половину длины волны излучения, и в большинстве штатных антенн точек доступа длина антенны составляет четверть длины волны излучения (30 мм). Так, для длины антенны 1/4 коэффициент усиления составляет 1,71 dBi, а для длины 2,11 dBi. Если продолжать моделирование длины антенны, то для длины 3/4 коэффициент усиления составляет 3,33 dBi, а для длины 3,43 dBi. Диаграмма направленности для длины антенны 3/4 показана на рис. 17. Конструкцию штыревой антенны можно улучшить, использовав перпендикулярный к антенне рефлектор металлическую поверхность (экран), выполняющую функцию идеальной заземляющей поверхности. Для длины антенны 1/2 в случае идеального рефлектора коэффициент направленного действия составит уже 7 dBi. Диаграмма направленности такой антенны представлена на рис. 18. Разумеется, в действительности диаграмма направленности будет иметь несколько иную форму и коэффициент усиления окажется меньше. Дело в том, что при расчете диаграммы направленности утилитой EZNEC Demo v.4.0.15 предполагается, что рефлектор представляет собой бесконечную, идеально проводящую плоскость. Кроме того, не учитываются потери сигнала при распространении в самой антенне. Утилита EZNEC Demo v.4.0.15 частично позволяет внести поправки на «неидеальность» заземляющего экрана и учесть потери сигнала в самой антенне. Для того чтобы сконструировать такую антенну, нам потребуется медный штырь (медная жила провода), диаметром 1,5-2 мм и длиной 65 мм, а также металлический рефлектор в форме квадрата со стороной порядка 100 мм или диск диаметром 80-85 мм. Такой диск делается из крышки металлической консервной банки. Кроме того, потребуются разъем N-серии типа Female с фланцем для крепления на рефлекторе антенны (например, N-7317), разъем N-серии типа Male для монтажа на кабеле антенны (например, GN-7301A), нужный для соединения с антенным кабелем, и сам кабель с сопротивлением 50 Ом/м (RG-58). Разъем N-серии типа Female с фланцем необходимо закрепить на рефлекторе, для чего в центре рефлектора просверливается отверстие. Крепление можно выполнить как с помощью четырех болтиков, так и эпоксидным клеем. С одной стороны разъема N-серии с фланцем необходимо вставить медный стержень и дополнительно пропаять его. Если толщина медного стержня несколько больше отверстия в разъеме, то можно напильником уменьшить диаметр стержня в месте крепления. Медный стержень должен выступать над поверхностью отражателя на 60 мм, что составляет половину длины волны излучения. Процесс производства данной антенны показан на рис. 19. Еще один способ модифицирования штыревой антенны заключается в том, чтобы использовать не перпендикулярный, а параллельный рефлектор. Прежде чем приступать к изготовлению такой антенны, смоделируем ее с помощью утилиты EZNEC Demo v.4.0.15. Разместим антенну параллельно плоскости XY вдоль оси X. В качестве точки подведения сигнала выберем точку E1 (точка начала антенны) с координатами (0, 0, z). Координаты точки E2 (точка конца антенны) соответственно будут (x, 0, z), где координата x определяется длиной антенны, а координата z расстоянием от антенны до плоского рефлектора). В качестве «земли» выберем идеальную проводящую поверхность (Perfect). Варьируя длину антенны и расстояние до рефлектора, можно подобрать желаемую диаграмму направленности и коэффициент усиления. На рис. 20 представлены диаграммы направленности, ширина главного лепестка и коэффициент усиления для антенны длиной 1/2 (60 мм) при различном расстоянии до рефлектора. Для изготовления данной антенны, как и в предыдущем случае, нам потребуется медный штырь (медная жила провода), диаметром 2 мм и длиной 65 мм, два металлических рефлектора (один тоже в форме квадрата со стороной около 100 мм, а второй в форме прямоугольника с размерами примерно 100x170 мм). Кроме того, опять потребуются разъем N-серии типа Female с фланцем для крепления на рефлекторе антенны и разъем N-серии типа Male для монтажа на кабеле антенны. Легче всего собрать такую антенну путем небольшой модификации предыдущей схемы. Отражающий экран будет состоять из двух взаимно перпендикулярных частей горизонтальной и вертикальной. Разъем N-серии с медным стержнем крепится к горизонтальной части рефлектора, а вертикальный рефлектор устанавливается на расстоянии 12 мм (0,1l) перпендикулярно к горизонтальному рефлектору и, следовательно, параллельно самой антенне. Схема данной антенны показана на рис. 21. Следующий вариант антенны, которую нетрудно изготовить в домашних условиях, симметричный полуволновой вибратор с рефлектором, или полуволновая дипольная антенна. Данная антенна состоит из двух симметричных разнонаправленных плеч, одно из которых заземлено (соединяется с рефлектором), а другое соединяется с центральной жилой антенного кабеля. Каждое из двух плеч такой антенны выполняется в Г-образной форме. Часть каждого плеча, параллельного плоскости рефлектора, составляет 1/4, поэтому общая длина такой антенны равна 1/2. Именно потому такую дипольную антенну называют симметричным полуволновым вибратором. Прежде чем приступать к конструированию такой антенны, смоделируем ее с помощью утилиты EZNEC Demo v.4.0.15 с тем, чтобы определить оптимальное расстояние антенны от плоскости рефлектора. На рис. 22 дана диаграмма направленности симметричного полуволнового вибратора с рефлектором при расстоянии между плоскостью рефлектора и плечами антенны равном 0,1 (12 мм). Коэффициент усиления антенны составляет 8,88 dBi, а форма диаграммы направленности говорит о секторном характере антенны. При изготовлении данной антенны нам, как всегда, понадобятся разъем N-серии с фланцем для крепления на рефлекторе антенны и разъем N-серии для монтажа на кабеле антенны. Кроме того, потребуется медная проволока диаметром 2 мм, а для изготовления рефлектора можно воспользоваться медным или алюминиевым листом в форме круга либо квадрата (это может быть даже сковорода). Габариты рефлектора могут быть любыми, но минимальный размер желательно сделать в два раза больше длины волны излучения (262 мм). Схема этой антенны представлена на рис. 23. Еще один образец распространенных антенн для диапазона частот от 2 до 5 ГГц это спиральные антенны с рефлектором. Такие антенны были изобретены еще в 1947 году Джоном Краусом. Спиральная антенна характеризуется количеством витков N, диаметром витков D и шагом спирали d. Не вникая в сложные теоретические расчеты, приведем лишь конечный результат. В принципе, чем больше витков содержит антенна, тем выше коэффициент усиления. При этом радиус витка обычно выбирается исходя из условия, чтобы длина витка соответствовала длине волны излучения , то есть: 2
П
R
= , а шаг спирали должен быть равен четверти длины волны излучения: d
= /4
. Размер рефлектора, который устанавливается перпендикулярно оси спирали и может иметь форму диска или квадрата, должен быть не меньше длины волны излучения. При длине волны излучения 123 мм (частота 2437 МГц) получим, что диаметр витка должен быть равен примерно 40 мм, а шаг спирали 30 мм. К сожалению, моделирование данной антенны с использованием утилиты EZNEC Demo v.4.0.15 невозможно в силу ограничения на количество сегментов, из которых состоит программа. Поэтому для расчета спиральных антенн необходимо воспользоваться полнофункциональной версией программы, что мы и сделали. Пример диаграммы направленности такой антенны для 12 витков показан на рис. 24. Отметим, что расчетный коэффициент усиления составляет 10,72 dBi. Дальнейшее увеличение числа витков не позволяет существенно увеличить коэффициент усиления антенны. Для изготовления этой антенны нам нужны пластиковая труба диаметром 40 мм (такие трубы можно приобрести на строительном рынке) и длиной около 40 см, медный многожильный провод в изоляции с диаметром сечения 1,5-2 мм. Провод наматывается вокруг трубы и приклеивается к ней. Такая конструкция антенны имеет импеданс около 150 Ом и требует правильного согласования со стандартным кабелем на 50 Ом. Самый изящный метод согласования использование куска меди в форме прямоугольного треугольника, который является продолжением провода, намотанного вокруг трубы. Катеты треугольника имеют размеры 71x17 мм. С одной стороны треугольник подпаивается к проводу, а с другой соединяется с центральным штырем разъема N-серии. Рефлектор изготавливается из медной пластины в форме квадрата, а труба к рефлектору прикрепляется с помощью заглушки для трубы. Схема антенны показана на рис. 25. В заключение отметим, что данная антенна вызывает круговую поляризацию, которая может быть как право-, так и левосторонней в зависимости от того, как намотана спираль. Такие антенны должны применяться только в паре, то есть если на одной точке доступа используется спиралевидная антенна, то и на другой точке доступа должна быть спиралевидная антенна, причем с одинаковой намоткой спирали. От предыдущих данный вариант отличается формой самой антенны. Основными конструктивными элементами антенны являются рефлектор, который выполняется из любого металла, и сам излучатель. Рефлектор может быть в форме диска диаметром 140 мм или квадрата со стороной 123 мм (); в последнем случае рекомендуется также использовать края высотой 31 мм (1/4 ). В центре рефлектора высверливается отверстие для крепления разъема N-серии. Излучатель выполняется из медной проволоки диаметром 2 мм, которая сгибается так, чтобы сформировать две квадратные рамки со сторонами 31 мм (1/4). Свободные концы проволоки припаиваются друг к другу. Далее к рамке излучателя припаиваются проволочные ножки высотой 31 мм, как показано на рис. 26. Одна из этих ножек припаивается к центральной жиле антенного кабеля, вторая к рефлектору. Данная конструкция антенны позволяет получить коэффициент усиления 9,5 dBi. Диаграмма направленности такой антенны, рассчитанная утилитой EZNEC Demo v.4.0.15, представлена на рис. 27. Направленные антенны из консервных банок получили широкое распространение благодаря не только простому исполнению, но и высокой эффективности. Существует множество вариантов изготовления подобных антенн, отличающихся друг от друга размерами. Основная идея, заложенная в конструкцию таких антенн, заключается в том, что консервная банка выполняет роль волновода, в котором образуются стоячие волны, поэтому в данном случае немаловажным условием является точное соблюдение размеров. Прежде чем переходить к описанию конкретных моделей таких антенн, вкратце рассмотрим основные теоретические аспекты. Введем следующие обозначения: 0 длина волны в вакууме (открытом пространстве); если частоту измерять в ГГц, а длину волны в мм, то C минимальная критическая длина волны, которая может распространяться по волноводу. Данная длина волны зависит от внутреннего диаметра волновода: c = 1,1706·D
; G длина стоячей волны в волноводе, которая зависит от c и 0 . В дальнейшем мы будем рассматривать волноводы в форме трубы, которая открыта с одной стороны и закрыта с другой. Такой волновод подобен короткому коаксиальному кабелю: входящий высокочастотный сигнал отражается от торца волновода, а отраженная волна накладывается на падающую волну. В результате суперпозиции этих волн возникает эффект стоячей волны. К примеру, если волны складываются в противофазе, то они ослабляют друг друга, а если в фазе, то, наоборот, усиливают. Между длинами волн c , 0 и g существует следующая зависимость: Из данного уравнения можно получить формулу длины стоячей волны: Так, для частоты 2,437 ГГц и для внутреннего диаметра волновода D=83 мм получим, что длина стоячей волны составляет 248,4 мм, а минимальная критическая длина волны 141,6 мм. А теперь, опираясь на введенные обозначения, рассмотрим пример создания волноводных антенн из консервных банок. При конструировании волноводов из консервных банок длина волновода должна составлять 3/4 g , а источник сигнала должен устанавливаться на расстоянии g /4 от закрытого торца банки. Как правило, диаметр консервной банки составляет 83 мм. Нетрудно рассчитать, что длина волновода в этом случае составит 186 мм. А поскольку таких длинных банок не бывает, то волновод придется состыковать из двух банок. На расстоянии g /4 от закрытого торца банки высверливается отверстие под разъем N-серии с фланцем. В N-разъем вставляется медный стержень диаметром 2 мм, который выполняет функцию источника волн внутри волновода. Длина этого стержня должна составлять четверть длины волны излучения в нашем случае 0 /4=31 мм. Модель данной антенны показана на рис. 28. В случае применения данной антенны вне помещения необходимо также предусмотреть возможность закрытия банки с тем, чтобы избежать попадания внутрь грязи, снега, дождя и т.д. Для этого можно взять пластиковую крышку, но обычные крышки для банок не подойдут, поскольку могут несколько ослабить сигнал. Лучший вариант использовать в качестве крышки пластик от посуды, предназначенной для микроволновой печи, который можно просто приклеить к банке эпоксидным клеем. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники Кафедра «Антенны и устройства СВЧ» КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Антенны и устройства СВЧ»
Тема: Расчёт спиральной антенны круговой поляризации
Минск, 2010 г. Введение 1. Основные соотношения, выбор рабочего типа волны и фидера 2. Описание конструкции антенны и АФР на ее раскрыве 3. Расчет геометрических и электрических характеристик антенн 3.3 Программа для расчета электрических параметров 3.4 Результаты численного моделирования антенны Заключение Список литературы Введение спиральная антенна круговая поляризация Антенна является необходимой частью любой радиотехнической системы. Антенны классифицируются по многим признакам и параметрам. По направленности излучения и приема различают слабонаправленные, антенны, линейные размеры которых либо много меньше, либо соизмеримы с длиной волны; умеренно направленные - размеры порядка единиц длин волн; остронаправленные - размеры порядка десятков единиц длин волн. По принципу действия и конструктивному исполнению антенны делятся на: проволочные и штыревые, применяемые на кило-, гекто- и декаметровых волнах; щелевые, состоящие из щелей в экранах или стенках волноводов, использующиеся на дециметровых и сантиметровых волнах; антенны поверхностных волн, где излучение во внешнее пространство происходит в результате замедленного или ускоренного распространения волны по поверхности антенны; апертурные антенны, в которых излучение происходит с большей по сравнению с квадратом длины волны, площади; многоэлементные антенны - антенные решетки, где излучающими элементами служат слабонаправленные антенны. По полосе частот: узкополосные (полоса частот составляет 5 -10% от средней частоты), широкополосные (полоса в 40 - 50%) и сверхширокополосные (полоса больше 50%). По области применения антенны подразделяются на связные, радиовещательные, телевизионные, радиолокационные и т.д. Развитие различных отраслей радиоэлектроники вызвало практическую потребность в антеннах, обеспечивающих излучение и прием эллиптически поляризованного поля в широком диапазоне частот. Среди различных типов широкополосных антенн важное место занимают спиральные антенны, которые являются слабо- и средненаправленными широкополосными антеннами эллиптической и управляемой поляризации. Они применяются в качестве самостоятельных антенн, облучателей зеркальных и линзовых антенн, возбудителей волноводно-рупорных антенн, элементов антенных решеток. В большинстве случаев основными требованиями является способность работать в широком диапазоне частот, обеспечение эллиптической и близкой к круговой поляризации. Разработано и используется значительное множество типов и конструкций спиральных антенн, отличающихся диапазонными свойствами, поляризацией поля и другими свойствами. Цилиндрическая регулярная однозаходная спиральная антенна в режиме осевого излучения имеет коэффициент перекрытия по частоте 1.8 и излучает поле с круговой поляризацией (правая или левая – зависит от направления скручивания спирали) в направлении оси. Направитель спиральной антенны может быть выполнен в виде конической спирали, что увеличивает Kf, или плоской спирали, что уменьшает продольный размер антенны (хотя и уменьшает Kf). Число заходов (ветвей) спирали может быть несколько. Это также увеличивает Kf. Если заходы намотаны в разные стороны (правые и левые спирали), появляется возможность управления поляризацией излучения путем изменения амплитуд и фаз токов, возбуждающих отдельные заходы. В зависимости от отношения диаметра спирали к длине волны диаграмма направленности может быть осевой или конической. С
целью уменьшения продольных размеров антенны в качестве направителя используют плоские спирали. Плоская спиральная антенна менее диапазонна, чем цилиндрическая, так как сама спираль одинаково излучает в сторону экрана и в противоположном направлении. Для синфазного сложения этих полей в направлении от экрана расстояние между спиралью и экраном должно быть близким к четверти длины волны. Более диапазонными по сравнению с цилиндрической регулярной спиральной антенной являются цилиндрическая спиральная антенна с переменным шагом. Рисунок 1.1 – Плоская спиральная антенна, антенна с переменным шагом, коническая антенна
1. Основные соотношения, выбор рабочего типа волны и фидера
Все волны в спиральной линии имеют продольные и поперечные по отношению к оси составляющие векторов Е и Н и являются аналогами волн НЕmn и EHmn в круглом волноводе. Отличие заключается в том, что они распространяются с фазовой скоростью, меньшей скорости света в свободном пространстве, и, следовательно, являются поверхностными. Амплитуды векторов Е и Н при удалении от оси спирали в радиальном направлении в области т>
R
уменьшаются приблизительно по экспоненциальному закону. Чем меньше фазовая скорость, тем быстрее спадает амплитуда поля с ростом r. В регулярной (бесконечной вдоль оси Z) замедляющей системе существует поток мощности только вдоль оси Z. Это общая закономерность для замедленных волн в любых замедляющих системах. В регулярной спиральной линии распределение тока в витке спирали по координате φ является периодической функцией φ с периодом, равным 2π. Это следует из того, что точки наблюдения Р(r,φ,z) и Р(r,φ+2π,z) в пространстве совпадают. Поэтому ток в проводнике спирали I(φ,z) можно разложить в комплексный ряд Фурье: Каждый член этого ряда называется пространственной φ - гармоникой, Im(z) - амплитуды гармоник. Аналогично можно представить и поле спиральной линии: В зависимости от величины
в рядах (1) и (2)преобладающей (резонирующей) будет одна из гармоник. Поле волны Тm в общем случае может быть записано в форме (2), при этом в поле резонирует гармоника с номером m. В том случае, когда в поле волны Тm резонирует гармоника с m=1. Пренебрегая всеми остальными гармониками, ток I(φ,z) в соответствии с (1) можно записать в виде: Поскольку в спирали существует бегущая волна тока (от конца спирали отражение слабое и им можно пренебречь при приближенном рассмотрении процессов и расчете), ток I1(z) определяется выражением: описывающим волну, распространяющуюся вдоль оси Z. В (4) I1 - амплитуда тока, β - коэффициент фазы. Из выражения (3) следует, что ток I(φ,z) представляет собой сумму двух токов I"(φ,z)= I1(z)-cosφ и I""(φ,z) = iI(φ,z) - sinφ. В каждом из них одинаковая зависимость от координаты z, одинаковые амплитуды I1(z), но разные зависимости от координаты φ. Причем токи сдвинуты по фазе на 90°. На рисунке 2.1 в виде эпюры показано распределение токов I"(φ,z) на витке спирали в зависимости от φ. На рисунке 2.1, б показано распределение тока I (φ,z) в зависимости от φ. На рисунке 2.1,а показаны также: Элементарные излучатели витка 1 и 2; Векторы е1 и Е2 поля, созданного этими элементами на оси спирали (оси Z); Вектор Е", равный сумме векторов Е
1
и Е2. Как видно, вектор Е" ориентирован вдоль оси Y, т.е. поляризован линейно вертикально. Аналогично для любых двух элементарных излучателей, расположенных симметрично относительно оси Y, вектор Е их суммарного поля ориентирован вдоль оси Y. Поэтому вектор Е всех элементов витка будет ориентирован вдоль оси Y и можно считать, что вектор Е" - это вектор электрического поля одного витка спирали на ее оси для тока I"(φ,z). Причем виток излучает одинаково и вдоль оси +Z и в обратном направлении - вдоль оси -Z, и максимум диаграммы направленности одного витка ориентирован по оси Z. Плоскостью Е является плоскость YZ, плоскостью Н - плоскость XZ. На рисунке 2.1 показаны также распределение тока I""(φ) = I""(φ,z)│z = const и вектор Е" поля на оси спирали, созданного витком спирали с этим током. Вектор Е" ориентирован вдоль оси X. Плоскости Е и Н поля витка с током I""(φ) меняются местами по сравнению с полем тока I"(φ) . Так как токи I""(φ) и I"(φ) имеют одинаковые амплитуды и сдвинуты по фазе на 90°, векторы Е" и Е" также одинаковы по амплитуде, сдвинуты по фазе на 90° и взаимно перпендикулярны в пространстве. Вследствие этого результирующий вектор Ё=Е"+Е" поля одного витка спирали имеет круговую поляризацию вдоль оси спирали. Главный лепесток ДН витка спирали в плоскости Е уже, чем в плоскости Н. Это связано с тем, что элементарный излучатель витка - диполь Герца в плоскости Н излучает ненаправленно, а в плоскости Е вдоль оси не излучает. В суммарном поле витка спирали, имеющем круговую поляризацию, плоскости Е и Н вращаются вокруг оси Z с частотой поля. Поэтому рассматриваются диаграммы направленности по составляющим Еθ и Еφ. Эти диаграммы направленности определяются следующими выражениями : где J0 - функция Бесселя нулевого порядка; k - волновое число свободного пространства; R
– радиус спирали. Вдоль системы витков распространяется бегущая волна тока, поэтому устанавливается линейное фазовое распределение. Поля всех витков в направлении оси Z (в направлении вектора фазовой скорости волны тока) складываются с одинаковыми фазами, в противоположном направлении - компенсируют друг друга. В результате спиральная антенна на волне Т
1
формирует поле с осевой диаграммой направленности. Аналогично, рассматривая распределение тока в витке спирали на волне Т2, можно показать, что виток спирали имеет коническую ДН. В элементах витка, расположенных диаметрально противоположно, токи противофазны, поэтому их суммарное поле на оси спирали равно нулю. Под некоторым углом к оси поля этих элементов уже сдвинуты по фазе за счет разности хода, и их суммарное поле не равно нулю. То же самое наблюдается на всех волнах Тm. Причем с ростом номера m растет число боковых лепестков ДН, а направление главного максимума приближается к оси спирали - угол Θm уменьшается. В режиме Т0, когда резонирует нулевая пространственная гармоника (m=0), ток на протяжении всего витка спирали имеет одинаковую фазу (одинаковое направление). Поэтому такой виток эквивалентен магнитному диполю, не излучающему вдоль оси витка. Диаграмма направленности антенны в режиме Т0 имеет форму тороида. Гармоника с номером m резонирует в поле спирали, если на периметре цилиндра спирали укладывается m длин волн, т.е. 2πR=mλ или Подробный анализ типов волн в спиральной линии показывает, что условие (6) определяет среднюю длину волны рабочего диапазона, в котором существует волна Тm.Таким образом для создания в спиральной линии волны Т1, которая удовлетворяет требованиям, предъявляемым к антенне в данной работе, необходимо, чтобы Диаграмму направленности и КНД спиральной антенны можно приближенно рассчитать по формулам, полученным аналитически для линейной антенной решетки с равномерным амплитудным и линейным фазовым распределением возбуждения; более точно - численно, предварительно решив внутреннюю задачу. Можно также расчет антенны и ее параметров произвести по эмпирическим формулам, полученным в результате обработки большого числа экспериментальных результатов. Аналитический метод заключается в следующем. Регулярную спиральную антенну с числом витков n можно считать линейной антенной решеткой. Диаграмма направленности такой решетки по составляющим eθ и Еφ определяется выражением : Диаграммы направленности одного излучателя - витка спирали описываются формулами (5). Множитель системы Fc(θ) для решетки с равномерным амплитудным и линейным фазовым распределением определяется выражениями : где S - расстояние между соседними излучателями (шаг спирали). Коэффициент замедления Аналитическое решение задачи по определению типов волн в регулярной (бесконечной) спирали показывает, что коэффициент замедления превышает единицу на 0,01-0,001 и его можно считать равным 1. В этом случае можно применить выражение КНД, полученное для линейной антенны в режиме осевого излучения : где l=n×S - осевая длина спирали (длина направителя). Выражение (10) дает заниженное значение КНД. Это связано с тем, что в спирали конечной длины коэффициент замедления больше. Приближенно его определяют из условия синфазного сложения полей всех витков в направлении оси спирали (хотя это и недостаточно обоснованно), что приводит к следующему выражению : Это значение коэффициента замедления при L/λ > 1,5 близко к оптимальному в линейной антенне в режиме осевого излучения и равному : При оптимальном коэффициенте замедления КНД определяются выражениями которые дают более точные значения. Выражения (8), (9) справедливы при целом числе витков спирали N. Если N не целое, спиральную антенну для расчета ДН считают линейной антенной с равномерным амплитудным и линейным фазовым распределением длиной L. В этом случае множитель системы определяется выражением : где Формулы (8), (9) и (14), (15) дают близкие результаты, если N>5. Аналитический метод расчета диаграммы направленности и КНД спиральной антенны является приближенным в силу использованных выше допущений (пренебрежение волнами, излучаемыми возбудителем и концом направителя) и неточного значения коэффициента замедления. Кроме того, в таком расчете не учитывается металлический экран диаметром Dэ » (0,6 - 0,7)λ., который всегда применяется для уменьшения заднего излучения и повышения эффективности возбуждения замедленной волны в спирали. Поэтому часто для расчета КНД используют следующее эмпирическое выражение , в котором k -волновое число свободного пространства: Входное сопротивление в широкой полосе частот имеет малую реактивную часть. Активное сопротивление приближенно определяется выражением: Основным режимом регулярной спиральной антенны является режим осевого излучения, наблюдаемый на волне T1. Поэтому рассмотрим диапазонные свойства в этом режиме . Волна T1 в однозаходной спиральной линии существует в диапазоне длин волн λmax-λmin, которые связаны с волновым числом свободного пространства k и радиусом спирали R
соотношением:. Получены следующие выражения для значений (kR)min и (kR)max: где (kR)0max ограничивает значение kR со стороны меньших значений и является верхней границей области существования волны Т0; kR" ограничивает область существования волны Т1 в которой резонирует пространственная гармоника с m=1 (обеспечивается режим осевого излучения); (kR)2min ограничивает со стороны меньших значений область существования волны Т2. Указанные значения kR
определяются выражениями: На рисунке 2.2 показаны зависимости приведенных значений kR
от угла намотки спирали а. Область значений kR и α, в которой выполняются условия (19), (20), заштрихована. В этой области существует волна Т1, и в ней резонирует пространственная гармоника с номером m=1, т.е. в спиральной антенне существует режим осевого излучения. Как видно, эта область имеет максимальную ширину по шкале kR = 2πR/λ (следовательно, по шкале длин волн λ) при некотором оптимальном угле намотки спирали αопт. Максимальная ширина этой области ограничена значениями kRmiu и kRmax, а по шкале длин волн значениями λmax и λmin. Из условия равенства значений kR" и (kR)min при α=αonT нетрудно получить αопт=19,5°. Значения, ограничивающие область режима осевого излучения, получаются равными: Рисунок 2.2 - Область режима осевого излучения спиральной антенны
2. Среднее в диапазоне значение длины волны получается равным периметру цилиндра спирали 2πR. Для определения КСВ и коэффициента усиления антенны в литературных источников приводится ряд формул, в контексте решения поставленной задачи воспользуемся следующими : где К0- коэффициент отражения: Антенна будет возбуждаться коаксиальным кабелем РК-2-11 (50 Ом). Параметры этой коаксиальной линии: диаметр внутренней жилы – 0.67 мм, диаметр диэлектрика – 2 мм, внешний диаметр – 3.9 мм. Для подключения будет использоваться SMA разъём. Вид SMA разъёма иллюстрирует рисунок 2.3. Рисунок 2.3 – Вид
SMA
разъёма
Поскольку обычно волновое сопротивление фидера фиксировано, а входное сопротивление спирали может быть различным, то в этом случае надо применить согласующее устройство СВЧ. Входное сопротивление спиральной антенны в режиме осевого излучения остаётся чисто активным, так как в этом режиме в проводе спирали устанавливается режим бегущей волны . Поэтому для согласования можно применить конусообразный переход (рисунок 2.4) из коаксиальных линий передачи. Рисунок 2.4 – Коаксиальный трансформатор Если длину конусной части () взять равной l/4, то этот переход работает как четвертьволновый трансформатор для согласования линии с разным волновым сопротивлением . Волновое сопротивление конусной части линии, должно быть: Волновое сопротивление конусной части перехода Волновое сопротивление подводящего фидера Волновое сопротивление спиральной антенны По известному волновому сопротивлению можно определить отношение диаметров элементов коаксиального тракта: Для коаксиального устройства с воздушным заполнением и Ом отношение . 2. Описание конструкции антенны и АФР на ее раскрыве
Основным режимом работы антенны является режим осевого излучения, при котором формируется диаграмма направленности (далее ДН) вдоль оси спирали. Спиральная антенна состоит из следующих составных частей: Рисунок 3.1 - Общий вид антенны
На рисунке 3.1 показано: 1 - спираль из медной трубки, 2 - диэлектрический каркас, 3 - металлический сетчатый экран, 4 - согласующее устройство, 5 - питающий фидер. В данном случае для изготовления антенны лучше взять медную трубку, для облегчения конструкции, т.к. токи высокой частоты текут лишь по поверхности металла. В качестве каркаса можно применить твёрдый пенопласт. При этом расчетные соотношения останутся неизменными т.к. пенопласт однороден в азимутальном и продольном направлениях, а его диэлектрическая проницаемость практически равна диэлектрической проницаемости воздуха. Для уменьшения заднего излучения мы применяем экран, который в ДМВ диапазоне делается из металлической сетки . Расчет характеристик и параметров спиральной антенны, естественно не может быть сделан с учетом всех её конструктивных элементов и особенностей распределения в ней тока. Поэтому применяется упрощенная модель спирали при условии, что осевая длина больше 0.5l, а отражение волны тока от свободного конца спирали невелико (условия выполняются при работе антенны в режиме бегущей волны). Исследования показывают, что в этом случае реальная спиральная антенна может быть заменена отрезком регулярной спирали с равномерным по амплитуде и линейным по фазе распределением тока вдоль оси захода (рисунок 3.2). : Рисунок 3.2 – АФР антенны
Рисунок 3.3 – Развертка спирали
где l= c/f, где c - скорость света, f - рабочая частота, n - число витков спирали, a - угол подъёма витка, R - радиус спирали, S - шаг витка спирали, L - длина витка спирали, l – длина всейспирали. Таким образом, расчётные соотношения для цилиндрической спирали: получены в соответствии с рисунком 3.3. Зная требуемый коэффициент направленного действия, можно рассчитать длину антенны Шаг спирали рассчитывается по формуле Число витков спирали рассчитываем через длину и шаг спирали Длину витка спирали, при которой излучение максимально вдоль оси нужно выбрать из интервала Радиус спирали находим из соотношения (27) Угол подъёма спирали находим из (28) Диаметр провода спирали берется порядка (0.03...0.05)l, причем, чем толще провод, тем больше уровень боковых лепестков и тем меньше входное сопротивление . С увеличением диаметра также сближаются диаграммы направленности по компонентам q и j. Для облегчения конструкции возьмём меньший диаметр 0.03l. Для уменьшения уровня обратного излучения спираль применяется совместно с экраном обычно круглой формы, причем в диапазоне ДМВ он изготавливается из металлической сетки. Размер ячейки сетки делается меньше одной десятой длины волны, а расстояние от экрана до первого витка спирали делают 0.25S. Экран следует делать из проволоки толщиной не менее 3 мм, т.к. он является несущим для фидера спирали и какого-либо опорно-поворотного устройства. Эксперимент показывает, что характеристики антенны наиболее стабильны в диапазоне частот при На характеристики излучения антенны оказывает влияние форма и размеры переходного участка от внутреннего проводника фидера к проводнику спирали. Этот элемент обтекается током большой амплитуды и не имеет осевой диаграммы направленности. Уменьшить его влияние можно уменьшением его длины. 3. Расчет геометрических и электрических характеристик антенны 3.1 Расчёт геометрических параметров антенны В ходе выполнения данной работы для проведения аналитических расчетов и построения графиков зависимостей была использована программа MathCAD. Зная среднюю рабочую частоту (f=910 МГц), определим среднюю длину волны 0.33 м. Диапазон рабочих частот – 100 МГц, что составляет 11% от несущей частоты. Для определения ширины ДН, при которой будет достигаться требуемый КНД, необходимо осуществить расчёты. Так как 2θ Е 0.5° = 2θ Н 0.5°=45°, то КНД будет равен: Цилиндрическая регулярная однозаходная спиральная антенна имеет коэффициент перекрытия по частоте 1.8 в режиме осевого излучения и излучает поле круговой поляризации, что вполне удовлетворяет техническим требованиям. Поэтому мы выберем антенну вышеописанной конфигурации. Зная коэффициент направленного действия, можно рассчитать длину антенны. По известной длине волны рассчитывается шаг спирали. Число витков рассчитываем через длину и шаг спирали. Возьмем 6 витков, однако при этом необходимо пересчитать длину спирали, чтобы не изменился угол намотки. Длину витка спирали нужно выбирать из интервала (0.75...1.3), например возьмем L= радиус витка спирали находим из следующего соотношения: Угол подъема спирали находим по развертке витка спирали. Диаметр трубки спирали возьмем 0.03*=0.01м=1 см. Расстояние от экрана до первого витка спирали выберем 0.25*S=0.018м=1.8 см. Диаметр экрана выберем 0.7*=0.231м. 3.2 Электрический расчет антенны Для расчета диаграмм направленности на средней рабочей частоте по компонентам подставим найденные геометрические размеры антенны в формулы (5). Для определения КНД антенны в рабочем диапазоне частот воспользуемся соотношением (16). Чтобы определить входное сопротивление воспользуемся формулой Крауса, которая в диапазоне ДМВ дает приемлемые результаты. Как видно из расчета, входное сопротивление антенны отличается от волнового сопротивления выбранного фидера. Из этого следует необходимость применения согласующего устройства, а именно коаксиальный трансформатор сопротивлений. Поскольку в качестве фидера был выбран РК-2-11 с диаметром центральной жилы – 0.67 мм, то можно определить размеры коаксиального трансформатора (рисунок 2.4). Длину конусной части берем равной /4=0.0825 м для того, чтобы переход работал как четретьволновой трансформатор для согласования линии с разным волновым сопротивлением. Волновое сопротивление конусной части линии должно быть: По известному волновому сопротивлению можно определить соотношение диаметров элементов коаксиального тракта по формуле 26. Для коаксиального волновода с воздушным заполнением и Z=100 Ом отношение d/D=0.17, для Z=140 Ом - 0.096, для Z=50 Ом - 0.435. Для того чтобы было удобно соединять трубку спирали и центральную жилу выходной части согласующего устройства возьмем последнюю диаметром меньше диаметра трубки например 3 мм. Так как антенна согласована на средней рабочей частоте, то КСВ при этих условиях будет минимален. При изменении частоты КСВ будет увеличиваться. Для расчета КСВ в диапазоне частот используем формулу 24. Зависимость КСВ от частоты приведена на рисунке 4.1. Зная геометрические размеры антенны, можно рассчитать ее электрические параметры. Формулы для расчета диаграмм направленности получаются для компонент Еq и Еf поля волны Т1. Эти выражения приводятся в литературе. Приближенно можно считать, что диаграммы направленности не зависят от угла f, т.е. являются телами вращения, хотя небольшая зависимость все же имеется. В итоге ДН для целого числа витков спирали определяются нижеприведенными выражениями. Рисунок 4.1 – КСВ антенны в полосе частот
Диаграммы направленности имеют вид: Рисунок 4.2 – ДН антенны на средней частоте диапазона в полярных координатах
Рисунок 4.3 - ДН антенны на средней частоте диапазона в прямоугольных координатах (плоскость Е)
Рисунок 4.4 – ДН антенны на средней частоте диапазона в прямоугольных координатах (плоскость Н)
Рисунок 4.5 – ДН антенны на нижней частоте диапазона в полярных координатах
Рисунок 4.6 – ДН антенны на верхней частоте диапазона в полярных координатах
Зависимость КНД от длины волны в пределах рабочего диапазона имеет вид: Рисунок 4.7 – Зависимость КНД от длины волны
3.3 Программа для расчета электрических параметров
Для решения внешней задачи и для расчета электрических параметров цилиндрической спиральной антенны была использована программа MMANA. Программа разработана японским специалистом Makoto Mori и переведена на русский язык специалистом И. Гончаренко. В программе реализован метод интегральных уравнений для тонкопроволочных антенн. По заданной пользователем геометрии проволочной антенны MMANA позволяет: · рассчитывать любые типы антенн, которые можно представить как произвольный набор проводов; · производить расчет на любой частоте; · создавать и редактировать описания антенны, как указанием цифровых координат, так и в графическом редакторе (просто рисовать антенну "мышкой"); · рассматривать множество разных видов антенны; · рассчитывать диаграммы направленности (ДН) в вертикальной и горизонтальной плоскостях; · строить трехмерные диаграммы направленности; · одновременно сравнивать результаты моделирования нескольких разных антенн; · редактировать каждый элемент антенны, включая возможность изменения его форму; · редактировать описание каждого провода антенны простым перетаскиванием "мышкой"; · просчитывать комбинированные (состоящие из нескольких, разных диаметров) провода; · создавать стеки, в качестве элемента стека можно использовать любую; · оптимизировать антенну, гибко настраивая цели оптимизации: Zвх, КСВ, усиление, F/B, минимум вертикального угла излучения; · задавать изменение при оптимизации более 90 параметров антенны, возможно описание совместного (зависимого) изменения нескольких параметров; · сохранять все шаги оптимизации в виде отдельной таблицы для последующего анализа; · строить множество разнообразных частотных графиков: Zвх, КСВ, усиление, F/B, ДН; · автоматически рассчитывать разные согласующие устройства, с возможностью включать и выключать их при построении графиков; · создавать таблицы для всех переменных расчетных данных: токов в каждой точке антенны, зависимости усиления от углов, изменение основных параметров антенны от частоты, напряженности полей антенны в заданной области пространства; · рассчитывать катушки, контура, СУ на LС элементах, СУ на отрезках длинных линий (несколько видов), индуктивности и емкости, выполненные из отрезков коаксиального кабеля; · Не имеет ограничений по взаимному расположению проводов. Максимальное число: проводов - 512, источников - 64, нагрузок - 100. Рисунок 4.8 - Внешний вид программы
MMANA
После задания геометрии, источников (обязательно), нагрузок (не обязательно) и частоты можно рассчитать характеристики и параметры антенны. Для этого необходимо выбрать пункт меню «Вычисления», в открывшемся экране щелкнуть по кнопке «Пуск». После расчета в таблицу этого экрана выводятся параметры антенны. Диаграмму направленности можно просмотреть, выбрав пункт меню «Диаграммы направленности». Рисунок 4.9 - Вид модели в программе
MMANA
Геометрию антенны можно создавать также с помощью встроенного графического редактора. Для того чтобы войти в редактор и рисовать в нем отрезки проводников, необходимо: Или на экране «Геометрия» в главном меню выбрать пункт «Правка», в развернувшемся подменю щелкнуть по пункту «Правка провода»; Или на экране «Вычисления» внизу щелкнуть по пункту «Правка провода». Методика рисования будет понятна после входа в редактор. Созданный файл геометрии и результатов расчета можно сохранить, выбрав в главном меню пункт «Файл». Для задания геометрии спиральной антенны была использована программа, которая по основным параметрам антенны и экрана рассчитывает начальные и конечные координаты линейных отрезков (сегментов), на которые они разбиваются, и создает файл с расширением *.maa. Дальнейший расчет производится в программе MMANA. Рисунок 4.10 - Внешний вид программы для расчета геометрии
В программе исходными данными для спирали являются: радиус, число витков, угол намотки, радиус проводника, шаг аппроксимации. Для экрана: радиус, число радиальных проводников, число колец экрана, дельта – размер ячейки относительно длины волны. Также задается: частота и имя выходного файла. Для начала работы следует нажать кнопку “Расчет и сохранение”. Файл с заданным именем создается в папке с программой. 3.4 Результаты численного моделирования антенны
Моделирования в программе MMANA будет выполнено для того, чтобы проверить правильность результатов, которые были получены в результате теоретического расчёта. При необходимости будут внесены необходимые коррективы в геометрию антенны. Рисунок 4.11 – ДН антенны в полярных координатах
Рисунок 4.12 – Зависимость КСВ от частоты
Рисунок 4.13 – Зависимость КНД и
F/
B от частоты
Рисунок 4.14 – Зависимость активной и реактивной части входного сопротивления от частоты
Рисунок 4.15 – Зависимость ДН от частоты
При работе антенны в реальных условиях, КНД будет увеличиваться из-за изрезанности ДН в вертикальной плоскости. На рисунке 4.14 приведена ДН антенны, расположенной на высоте 5 метров над землёй. Рисунок 4.16 – ДН антенны, расположенной на высоте 5 метров над землёй
Рисунок 4.17 – Объёмная ДН антенны, расположенной на высоте 5 метров над землёй
Активное сопротивление составляет около 140 Ом, что позволяет подключать антенну к стандартному коаксиальному кабелю с сопротивлением 50 Ом с применением согласующего устройства, рассчитанного в разделе 4.2. Что касается диаграммы направленности, то она остаётся практически неизменной во всём диапазоне рабочих частот. Также в заданной полосе частот КСВ не превышает установленных пределов. Кроме этого, необходимо сказать, что теоретический расчёт и моделирование дают схожие результаты в исследовании характеристик спиральной антенны. Особенностью программы MMANA является то, что в ней не предусмотрен вывод графика ДН в прямоугольных координатах, что затрудняет определение ширины ДН. Однако, судя по графикам, представленным на рисунках 4.3 и 4.4, она соответствует заданным параметрам. Заключение
в данном курсовом проекте был произведен анализ регулярной цилиндрической спиральной антенны. Сопоставив полученные результаты, можно сказать, что спиральная антенна является широкополосной антенной с осевым излучением волн круговой поляризации. В ходе работы была использована программа для WINDOWS, позволяющая создавать геометрию различных спиральных антенн и исследовать в пакете MMANA. Спроектированная антенна отличается простотой конструкции и может применяться как самостоятельная антенна, так и в качестве элемента антенной решетки. Список литературы
1. Юрцев О.А., Рунов А.В., Казарин А.Н. Спиральные антенны М.:Радио и связь 1974г. 2. Юрцев О.А. Элементы общей теории антенн. Методическое пособие. БГУИР: 1997г. 3. Фрадин А.З. Антенны сверхвысоких частот. М: Советское радио 1957г. 4. Марков Г.Т., Сазонов Д.Н. Антенны М.: Связь 1977г. Cтраница 1 Диаграмма направленности спиральной антенны стабильна в широкой полосе частот; например, спираль с постепенно изменяющимся диаметром отдельных витков имела рабочий диапазон частот 120 - 450 Мгц ; начальный диаметр равнялся 60 см, а через 10 витков, осевая длина которых составляла 112 см, диаметр уменьшался до 20 см; точка возбуждения находилась в вершине. Было показано , что размеры проводника слабо влияют а характеристики излучения.
Поскольку диаграмма направленности равноугольной спиральной антенны поворачивается при изменении частоты, при детальном изучении изменения диаграммы с частотой необходимо осуществлять поворот антенны для каждого сдвига частоты. При обычном способе работы антенна, как правило, неподвижна и желательно знать изменения положения диаграммы относительно начального состояния антенны.
Ширина диаграммы направленности спиральной антенны уменьшается с увеличением угла подъема, числа витков спирали и уменьшением диаметра экрана.
Ширина диаграммы направленности спиральной антенны уменьшается обратно пропорционально корню квадратному из длины спирали в длинах волн. Соотношения (21 - 21) - (21 - 23) будут проиллюстрированы на следующем примере.
Множитель / с (6) диаграммы направленности спиральной антенны имеет максимум, направленный вдоль оси спирали в положительном направлении для волны тока Jv (n), в отрицательном направлении для волны тока J v (n 1), если значения ka выбраны в интервалах, соответствующих сильной дисперсии фазовой скорости этих волн тока.
Рассмотренные в главе результаты решения задачи о возбуждении собственных волн Т заданными источниками поля в следующей главе используются для анализа зависимости диаграмм направленности спиральных антенн от параметров возбуждающих источников.
При этом РП - k - Ар, фазовая скорость n - й пространственной гармоники близка к скорости света в свободном пространстве, щ направлена в противоположную сторону по сравнению с волной тока в проводнике спирали. Множитель Ус (9) диаграммы направленности спиральной антенны имеет максимум вдоль оси системы, но направлен навстречу волне тока.
В технической литературе имеется большое количество теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию диаграмм направленности эквиугольных спиральных антенн. Однако в этих работах исследуются диаграммы направленности эквиугольных спиральных антенн с угловыми параметрами fro и а, ограниченными небольшими пределами. В получены формулы для диаграмм направленности конических спиральных антенн с величинами углов конусности и намотки, удовлетворяющих условию sindotgaCl, но использование их для инженерных расчетов затруднительно, поскольку формулы представляют собой суммы комплексных полей витков. По этой же причине выражения для поля излучения, приведенные в , не удобны для получения формул для фазовых и поляризационных характеристик эквиугольных спиральных антенн В известной литературе отсутствуют формулы для расчета диаграммы направленности многозаходных эквиугольных спиральных антенн, а также нет достаточно обширных семейств расчетных графиков диаграмм направленности эквиугольных спиральных антенн для различных угловых параметров до и а и при различном числе заходов антенны.
Таким образом, поле волны Тп при выполнении условий (3.12), в основном, определяется л-й пространственной гармоникой и имеет фазовую скорость, близкую к скорости света в свободном пространстве. В этом случае множитель / с (9) диаграммы направленности спиральной антенны имеет максимум вдоль оси спирали в направлении распространения волны тока. Поэтому интервал ka, в котором выполняются условия (3.12), называется областью сильной дисперсии фазовой скорости.
В технической литературе имеется большое количество теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию диаграмм направленности эквиугольных спиральных антенн. Однако в этих работах исследуются диаграммы направленности эквиугольных спиральных антенн с угловыми параметрами fro и а, ограниченными небольшими пределами. В получены формулы для диаграмм направленности конических спиральных антенн с величинами углов конусности и намотки, удовлетворяющих условию sindotgaCl, но использование их для инженерных расчетов затруднительно, поскольку формулы представляют собой суммы комплексных полей витков. По этой же причине выражения для поля излучения, приведенные в , не удобны для получения формул для фазовых и поляризационных характеристик эквиугольных спиральных антенн В известной литературе отсутствуют формулы для расчета диаграммы направленности многозаходных эквиугольных спиральных антенн, а также нет достаточно обширных семейств расчетных графиков диаграмм направленности эквиугольных спиральных антенн для различных угловых параметров до и а и при различном числе заходов антенны.
В технической литературе имеется большое количество теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию диаграмм направленности эквиугольных спиральных антенн. Однако в этих работах исследуются диаграммы направленности эквиугольных спиральных антенн с угловыми параметрами fro и а, ограниченными небольшими пределами. В получены формулы для диаграмм направленности конических спиральных антенн с величинами углов конусности и намотки, удовлетворяющих условию sindotgaCl, но использование их для инженерных расчетов затруднительно, поскольку формулы представляют собой суммы комплексных полей витков. По этой же причине выражения для поля излучения, приведенные в , не удобны для получения формул для фазовых и поляризационных характеристик эквиугольных спиральных антенн В известной литературе отсутствуют формулы для расчета диаграммы направленности многозаходных эквиугольных спиральных антенн, а также нет достаточно обширных семейств расчетных графиков диаграмм направленности эквиугольных спиральных антенн для различных угловых параметров до и а и при различном числе заходов антенны.
В технической литературе имеется большое количество теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию диаграмм направленности эквиугольных спиральных антенн. Однако в этих работах исследуются диаграммы направленности эквиугольных спиральных антенн с угловыми параметрами fro и а, ограниченными небольшими пределами. В получены формулы для диаграмм направленности конических спиральных антенн с величинами углов конусности и намотки, удовлетворяющих условию sindotgaCl, но использование их для инженерных расчетов затруднительно, поскольку формулы представляют собой суммы комплексных полей витков. По этой же причине выражения для поля излучения, приведенные в , не удобны для получения формул для фазовых и поляризационных характеристик эквиугольных спиральных антенн В известной литературе отсутствуют формулы для расчета диаграммы направленности многозаходных эквиугольных спиральных антенн, а также нет достаточно обширных семейств расчетных графиков диаграмм направленности эквиугольных спиральных антенн для различных угловых параметров до и а и при различном числе заходов антенны.
Страницы:
1
Характеристики направленных антенн
Изотропный излучатель
Диаграмма направленности антенны
Коэффициент усиления антенны
,
Делаем направленные антенны своими руками
ВЧ-разъемы для соединения антенн с кабелем
с крепежной гайкой. Маркировка TNC-7401A
Маркировка TNC-7422
для монтажа на кабеле антенны.
Маркировка TNC-7422
Программное моделирование антенн
Штыревая антенна c перпендикулярным рефлектором
Штыревая антенна с параллельным рефлектором
для штыревой антенны длиной 1/2l (60 мм)
при различном расстоянии до параллельного рефлектора
с параллельным рефлектором
Симметричный полуволновой вибратор с рефлектором
с рефлектором
Спиральная антенна с рефлектором
40 мм, шаг спирали 30 мм.
Антенна с биквадратным четвертьволновым излучателем и рефлектором
с биквадратным излучателем
Антенны из консервных банок
.
.
, где β - коэффициент фазы замедленной волны, распространяющейся вдоль оси спирали.
При этом λmin≈4.5R; λmax≈9R коэффициент перекрытия по частоте получается равным 
,
, где
lg
(Ом)
, а входное сопротивление практически не меняется. Поэтому, примем 
.
