Проектирование спиральной антенны

Цель работы и исходные данные

Цель работы – рассчитать спиральную антенну, используя приведённые ниже в таблице данные

Основные характеристики спиральных антенн

Конструктивно спиральные антенны представляют собой металлическую спираль, питаемую коаксиальной линией. Спиральные антенны принадлежат классу антенн бегущей волны и основным режимом работы антенны является режим осевого излучения. Также спиральная антенна формирует диаграмму направленности вдоль оси спирали

Основные составляющие спиральной антенны:

1.Спираль из медной трубки

2.Сплошной экран: В качестве экрана можно применить более дешёвый алюминий; расстояние от первого витка берут . В нашем случае - 2 см

3.Согласующее устройство: для согласования надо применить согласующее устройство СВЧ так как входное сопротивление фидера 50 или 75 Ом, а сопротивление спирали 140 Ом; к тому же сопротивление спиральной антенны практически активное и для согласования можно применить конусообразный переход из коаксиальных линий передачи

D 1 d 1 d 2 D 2

4.Питающий фидер

5.Диэлектрический каркас: в качестве каркаса часто применяется твёрдый пенопласт. При этом расчетные соотношения останутся неизменными т.к. диэлектрическая проницаемость пенопласта практически равна диэлектрической проницаемости воздуха

Основные моменты расчёта:

Для облегчения последующих расчётов введём обозначения:

Примечание : если длина витка спирали лежит в пределах от 0.75 до 3l то излучение С.А. максимально вдоль оси спирали. Это основной режим работы С.А

Расчётные соотношения цилиндрической спирали

.Развёртка витка спиральной антенны

S L

a

2 P R

Основные соотношения следуют из рисунка:

1. L =(2 P R)+S
2. Sin a =S/L
3. l=nS
4. 2 q 0.5 = ( Ширина диаграммы направленности по половинной мощности в градусах)
5. D 0 =15 n

(Коэффициент направленного действия)

(Входное сопротивление (Ом))

Расчёт цилиндрической спиральной антенны

Наиболее характерен режим спиральной антенны устанавливается при следующих условиях:

(См)

= , потому что

К.П.Д в этом случае близок 100 % , так как площадь сечения спиральной антенны достаточно велика:

См

Шаг спирали для получения круговой поляризации

См

Число витков спирали

(при округлении получаем витков)

Радиус спирали:

См

    Ширина диаграммы направленности:

Диаметр диска экрана принимается равным (0.9 1.1) . В нашем случае диаметр диска экрана См

Диаметр провода спирали берется порядка (0.03 0.05) В нашем случае - См

Кроме того, в существующих условиях лучше взять медную трубку близкого диаметра т.к. токи высокой частоты текут лишь по поверхности металла

Входное сопротивление требует согласующего устройства к линии 75 ом

Угол подъёма спирали из

Коаксиальный трансформатор волновых сопротивлений передающего тракта

Если длину конусной части ( ) взять равной (в нашем случае см) этот переход работает как четвертьволновый трансформатор для согласования линии с разным волновым сопротивлением (75 Ом и 140 Ом)

Волновое сопротивление конусной части линии, должно быть:

1. -волновое сопротивление конусной части перехода
2. -волновое сопротивление подводящего фидера 75 Ом
3. -волновое сопротивление спиральной антенны
4. 

Ом

По известному волновому сопротивлению определяем отношение диаметров элементов коаксиального тракта:

lg ( Ом )

• Для коаксиального устройства с воздушным заполнением и Ом отношение :
• Для Ом и для Ом:

Выбрав, в качестве подводящего мощность фидера РК-9-13 по допустимой предварительной мощности имеем: диаметр центральной жилы 1.35 мм. Отсюда определяем все размеры коаксиального трансформатора:

мм

мм

выберем равным мм., тогда мм

В качестве основания спирали можно применить твердый пенопласт. Он не изменит электрических параметров антенны, т.к. по своим электрическим параметрам пенопласт близок к воздуху. При мощности передатчика 10 кВт и скважности 100 средняя площадь излучения примерно 100 Вт, при КСВ антенны лучше 1.35 отражённая мощность не более 5%, т.е. не более 5 Вт. Можно считать, что эта мощность и тепло рассеивается на спирали

Уровень боковых лепестков

Наряду с шириной луча очень важным параметром является уровень боковых лепестков, который можно определить через К.Н.Д. по формуле

где - это “эффективный уровень боковых лепестков”

или дБ

Для уменьшения уровня боковых лепестков следует увеличить размер рефлектора и сделать его форму более сложной

Эскиз рефлектора для уменьшения уровня боковых лепестков

40 см

20 см

Рефлектор следует делать из листа толщиной не менее 3 мм, т.к. он является несущим для фидера спирали и какого-либо опорно-поворотного устройства

Диаграмма такой антенны достаточно широка ( > ),так что особой точности наведения она не требует. Антенна достаточно проста в изготовлении и надежна в эксплуатации

Приложение

Спиральная антенна

Диаграмма направленности

Список литературы:

1.Антенно-фидерные устройства СВЧ

(под общей редакцией Маркова)

2.Антенны

(Д.М.Сазонов)

3.Антенны и устройства СВЧ

(В.В.Никольский)