Плоские спирали, имеющие небольшие предельно-габаритные размеры, в настоящее время применяются в невыступающих конструкциях( летательные аппараты), а также в качестве самостоятельных антенн, облучателей зеркальных и линзовых антенн, возбудителей волноводно-рупорных антенн. В основном плоские спирали используются в диапазоне частот 0,2 … 18 ГГц.
Получили распространение логарифмические и архимедовы спирали, а также их комбинации. Первые имеют переменный шаг, а вторые – фиксированный. Логарифмическая спираль по диапазонным свойствам приближается к взаимно дополняющим структурам. Однако она имеет сравнительно большие размеры, необходимые для стабилизации параметров в широком диапазоне частот. Архимедова спираль, при условии что ее витки выполняются в виде прямолинейных отрезков, значительно проще по технологии изготовления.
При определении конструктивных размеров антенны использовались выражения, полученные в [ 23 ]. Максимальный радиус спирали определим исходя из получения приемлемого коэффициента поляризации на самой длинной волне рабочего диапазона. В соответствии с [ 23 ], для получения коэффициента поляризации р ≥ 0,8 должно выполняться условие:
,
180
150
210
120
240
90
0.8
0.6
0.4
0.2
270
60
300
30
330
Рис. 1. Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости
120
90
0.8
60
0
3 Мгц 6 Мгц 12 Мгц
где a макс – максимальный радиус спирали. Для частоты 3 МГц λ макс = 100 метров. Тогда |
150 |
0.6
0.4
|
30 |
= 23,9 … 55,7 метра. |
|
0.2 |
|
При практической реализации исходили из максимального радиуса спирали в 25 метров. Минимальный радиус спирали определим, исходя из условия отсутствия раздвоения диаграммы направленности, для чего должно выполняться условие:
, тогда
а мин ≥ λ мин / 2π = 12,5 / 2π = 1,99 метра; Количество витков спирали определим исходя из ширины спиральных ветвей и зазора между ними:
где S – ширина спиральной ветви; Z – зазор между ветвями спирали. Для выбранных нами параметров спирали значение N =
7,7 скорректируем до целой величины 8. Для расчета диаграмм направленности использовалась приведенная в [ 24 ] формула:
180
Рис. 2. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости для вертикальной поляризации излучаемой волны
где n – номер гармоники или моды, в нашем случае n = 1; R 0 – радиус спирали; J n – функция Бесселя; а – параметр намотки спирали, который в случае плотной намотки меньше единицы. Диаграмма направленности симметрична в обеих плоскостях. Расчетная диаграмма направленности в горизонтальной плоскости для выбранных параметров спирали показана на рисунке 1. В отличие от антенн линейной поляризации, для антенн вращающейся поляризации диаграмму направленности в вертикальной плоскости необходимо строить для обеих компонент поля, вертикальной и горизонтальной. Результаты расчетов соответственно показаны на рисунках 2 и 3. Влияние подстилающей поверхности сказывается не только на диаграмме направленности в вертикальной плоскости, но и на поляризационных характеристиках излучаемого поля. Расчетные зависимости коэффициента поляризации на трех частотах показаны на рисунке 4.
0
,
88 Морские информационно-управляющие системы, 2015 / No. 1( 7)