Спиральная антенна

Тип радиочастотной антенны

Двухлучевая, плотно навитая, логарифмическая спиральная антенна

Двухлучевая, широко обернутая, логарифмическая спиральная антенна

Спиральная антенна — это тип радиочастотной антенны в форме спирали , ^{[1] : 14‑2} впервые описанной в 1956 году. ^[2] Архимедовы спиральные антенны являются наиболее популярными, в то время как логарифмические спиральные антенны не зависят от частоты: ^[3] сопротивление точки возбуждения, диаграмма направленности и поляризация таких антенн остаются неизменными в большой полосе пропускания. ^[4] Спиральные антенны по своей сути имеют круговую поляризацию с низким коэффициентом усиления ; антенные решетки могут использоваться для увеличения усиления. Спиральные антенны уменьшаются в размерах, так как их обмотки делают их чрезвычайно маленькой структурой. Полости с потерями ^[5] обычно размещаются сзади, чтобы устранить задние лепестки, поскольку в таких антеннах обычно предпочтительнее однонаправленная диаграмма направленности. Спиральные антенны классифицируются по различным конфигурациям: архимедова спираль, логарифмическая спираль, квадратная спираль и т. д.

Принцип

В общем случае антенны могут работать в трех различных режимах: бегущая волна, быстрая волна и вытекающая волна. Спиральные антенны используют все три.

Бегущая волна, образованная на спиральных рукавах, обеспечивает широкополосную производительность. Быстрая волна возникает из-за явления взаимной связи, происходящего между рукавами спирали. Утечка волны «утекает» энергия во время распространения через спиральные рукава, создавая излучение.

Теория колец (теория полос) объясняет принцип работы спиральной антенны. Теория утверждает, что спиральная антенна излучает из активной области , где окружность спирали равна длине волны. ^[6]

Дизайн

При проектировании квадратной спиральной антенны необходимо учитывать различные параметры конструкции. Параметры включают расстояние между витками , ширину плеча , внутренний радиус и внешний радиус . Внутренний радиус измеряется от центра спирали до центра первого витка, а внешний радиус измеряется от центра спирали до центра самого внешнего витка. Помимо этих параметров конструкции, спиральные антенны имеют самые низкие ( и самые высокие рабочие частоты. Здесь соответствует скорости света в металле антенны, в основном определяемой электрической проницаемостью подложки, на которой лежит спираль, и ее внешним покрытием (если таковое имеется). ${\displaystyle s}$ ${\displaystyle w}$ ${\displaystyle r_{1}}$ ${\displaystyle r_{2}}$ ${\displaystyle f_{\text{low}}=c/2\pi r_{2})}$ ${\displaystyle (f_{\text{high}}=c/2\pi r_{1})}$ ${\displaystyle c\leq 299.79{\text{ Mm/s}}=c_{0}}$

В полярной системе координат спираль растет вдоль -оси и -оси одновременно. Часто используемые архемедиановы спирали удовлетворяют особенно простому уравнению , где соответствует фактору роста и соответствует фактору умножения. Следствием этого является одинаковое расстояние между последовательными витками, что ограничивает ширину спиральных рукавов, которая обычно остается постоянной. Также могут использоваться другие варианты формы спирали, такие как логарифмические спирали , которые удовлетворяют ; полученные спиральные рукава более широко разнесены во внешних витках, что может лучше вместить рукава, которые значительно расширяются. ${\displaystyle (r,\theta )}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle r=a+b\,\theta }$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle r=a+b\,e^{m\theta }}$

Различные конструкции спиральной антенны могут быть получены путем изменения количества витков для каждого плеча, количества плеч, типа спирали, расстояния между ее витками, ширины ее плеча(ей) и материала(ов), которые ее окружают, например, подложки, на которой она расположена.

Элементы

Антенна обычно имеет два проводящих спиральных плеча, простирающихся от центра наружу. Направление вращения спирали определяет направление поляризации антенны. Дополнительные спирали также могут быть включены, чтобы сформировать многоспиральную структуру. Антенна может быть плоским диском с проводниками, напоминающими пару свободно вложенных часовых пружин, или спирали могут простираться в трехмерной форме, как винтовая резьба.

Выход двух- или четырехлучевой спиральной антенны представляет собой сбалансированную линию . Если требуется одна входная или выходная линия, например, заземленная коаксиальная линия , то добавляется симметрирующий трансформатор или другой трансформатор для изменения электрического режима сигнала.

Обычно спираль имеет полость с обратной стороны – то есть, за спиралью находится полость из воздуха или непроводящего материала или вакуума, окруженная проводящими стенками. Полость с соответствующей формой и размером изменяет диаграмму направленности антенны для приема и передачи в одном направлении, от полости.

Спираль может быть напечатана или вытравлена ​​на специально выбранной диэлектрической среде, диэлектрическая проницаемость которой может быть использована для изменения частоты для заданного размера. Диэлектрические среды, такие как Rogers RT Duroid, помогают уменьшить физический размер антенны. Тонкие подложки с более высокой диэлектрической проницаемостью могут достичь того же результата, что и толстые подложки с более низкой диэлектрической проницаемостью. Единственная проблема с такими материалами — их меньшая доступность и высокая стоимость. ^[7]

Приложения

Спиральные антенны передают радиоволны с круговой поляризацией и принимают линейно поляризованные волны в любой ориентации, но резко ослабляют сигналы с круговой поляризацией, принимаемые с противоположным вращением. Спиральная антенна будет отклонять волны с круговой поляризацией одного типа, при этом прекрасно принимая волны с другой поляризацией.

Одно из применений спиральных антенн — широкополосная связь. Другое применение спиральных антенн — мониторинг частотного спектра. Одна антенна может принимать сигналы в широкой полосе пропускания, например, в соотношении 5:1 между максимальной и минимальной частотой. Обычно в этом применении используется пара спиральных антенн, имеющих идентичные параметры, за исключением поляризации, которая противоположна (одна ориентирована вправо, другая — влево). Спиральные антенны полезны для микроволнового пеленгования. ^[8]

Ссылки

1. Джонсон, Ричард С.; Джасик, Генри, ред. (1961). Справочник по антенной технике (второе изд.). ISBN 0-07-032291-0.
2. Орр, Уильям И. (1976). Справочник по направленным антеннам (5-е изд.). Радиоиздания. С. 185–186.
3. Краус, Джон (1988). Антенны (2-е изд.). McGraw-Hill. стр. 697. ISBN 0-07-035422-7.
4. Mayes, Paul E. (1992). «Частотно-независимые антенны и их широкополосные производные». Труды IEEE . 80 (1): 103–112. Bibcode : 1992IEEEP..80..103M. doi : 10.1109/5.119570.
5. Хилл, Дэвид А.; Ма, МТ; Ондрейка, Артур; Риддл, Билли Ф.; Кроуфорд, МЛ; Джонк, Роберт Т. (сентябрь 1993 г.). «Возбуждение апертурой электрически больших резонаторов с потерями». Технический отчет NASA STI/Recon № 1361 : 31683. Бибкод : 1993STIN...9431683H.
6. Мехта, А.; Миршекар-Сяхкал, Д.; Накано, Х. (2006). «Адаптивная к лучу одноплечевая прямоугольная спиральная антенна с переключателями». Труды IEE — Микроволны, антенны и распространение радиоволн . 153 (1): –18. doi :10.1049/ip-map:20050045.
7. Асад, М.; Гилани, Дж.; Халид, А.; Икбал, М.С. (2010). «Оптимизация добротности квадратной спиральной антенны». PACCS : 227–230.^{[ необходима полная цитата ]}
8. Липски, Стивен Э. (2004). Пассивное микроволновое пеленгование . SciTech Publishing. стр. 40. ISBN 1-891121-23-5.

Ссылки на "Практическую антенну"

• «Спиральная антенна». Теория антенн .