Применение спиральных антенн

 

Цилиндрические и конические спиральные антенны широко применяются на сантиметровых, дециметровых и, реже, метровых волнах. Они используются либо в качестве самостоятельных антенн средней направленности, либо в качестве облучателей параболических и линзовых антенн.

К преимуществам спиральных антенн относятся следующие: широкополосность, активное входное сопротивление, простота конструкции и то, что они работают как с круговой, так и с линейной поляризацией поля.

При работе на ‚передачу спиральная антенна излучает поле с вращающейся поляризацией, право- или лево-полядризованное, в зависимости от направления намотки спирали (правая поляризация у спирали, образующей правый винт). При работе на прием она принимает либо поле вращающейся поляризации с направлением вращения как и при передаче, либо поле любой линейной поляризации.

Поле электромагнитной волны с вращающейся поляризацией характеризуется тем, что вектор электрического поля, лежащий в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, своим концом описывает эллипс. Полный поворот вектора происходит за один период колебаний электромагнитного поля. Когда полуоси эллипса одинаковы по величине, мы имеем круговую поляризацию. Если одна из осей равна нулю, то эллиптическая поляризация ‚вырождается в линейную.

Для характеристики того, насколько поле с вращающейся поляризацией отличается от поля с круговой поляризацией, вводят коэффициент, называемый коэффициентом неравномерности или эллиптичности поляризационной характеристики антенны:

 

 ,

 

где  - малая полуось эллипса;  - большая полуось эллипса.

Этот коэффициент может принимать значения от нуля до единицы.

В ряде случаев применение полей с вращающейся поляризацией дает полезный эффект, заключающийся: в увеличении дальности обнаружения целей и в уменьшении помех от дождя и снега в радиолокации, в обеспечении

 

 

надежности приема сигналов от космических объектов при потере ими ориентации, в уменьшении реакции зеркала на облучатель в зеркальных антеннах и т. п.

Эффект применения спирального облучателя для уменьшения реакции зеркала на облучатель основан на свойстве спирали принимать и излучать поле только с одним направлением вращения поляризации, определяемым геометрией спирали. При отражении от проводящей

 

Рис. 9.7. Модифицированная цилиндрическая антенна.

Рис. 9.8. Конический рупор со спиральным возбудителем.

 

поверхности (зеркала) направление ‚вращения поляризации поля меняется на противоположное, которое облучателем не может быть принято.

Уменьшение помех от дождя, например, происходит следующим образом. Если применяют линейно поляризованное поле и средняя интенсивность отражения от дождя равна‚ интенсивности сигнала от воздушной цели или больше нее, то цель на фоне помех не будет видна на радиолокационном индикаторе. Если же в этом случае применить поле с круговой поляризацией, излучаемое спиральной антенной, то ‚вследствие симметрии капель дождя поляризация отраженного дождем сигнала будет также круговой, но с обратным направлением вращения вектора Е. Этот сигнал не будет принят спиральной антенной. Сигнал, отраженный от воздушной цели, будет принят антенной, несмотря на обратное направление

 

вращения вектора Е, так как вследствие несимметрий цели (самолет, ракета) в отраженную волну будут вводиться деполяризованные компоненты, которые приведут к образованию эллиптической поляризации с преобладанием вертикальной или горизонтальной поляризации.

К недостаткам спиральных антенн можно отнести следующие: высокое (порядка 100-160 ом) ‚входное сопротивление, зависящее от частоты, которое

Рис. 9.9. Двухзаходная спиральная антенна с противоположным направлением намотки витков.

приходится согласовывать с сопротивлениями питающих кабелей (волновое сопротивление 50, 75 ом) с помощью специальных устройств; сравнительно большой уровень боковых лепестков (порядка 18 дб) невозможность получения узких диаграмм направленности.

Одним из возможных способов  [Л 4] устранения первого недостатка является уменьшение радиуса начальных и конечных витков отражателя конической формы, как указано на рис. 9.7. Равномерная центральная часть модифицированной антенны работает подобно обычной спиральной антенне, суживающиеся концы служат концы служат как бы "согласующим" переходом к коаксиальной линии на одном конце и к свободному пространству - на другом. Изменяя угол отражателя Ф2‚ можно установить входное сопротивление антенны нужной величины.

Второй и третий недостатки спиральной антенны могут быть устранены известными способами: при‚ помощи решетки из спиралей; при помощи зеркала, линзы или рупора, возбуждаемых спиралью. Так, например, конический рупор [Л 5], возбужденный расположенной внутри него цилиндрической спиралью осевого излучения

 

(рис. 9.8); имеет круговую поляризацию поля и узкую диаграмму направленности в полосе частот 2:1. Коэффициент направленного действия такой антенны (геликона) в четыре раза выше по сравнению с обычной спиралью такой же длины, а уровень боковых лепестков на 15-20 дб ниже.

В некоторых специальных случаях (антенна для моноимпульсной радиолокационной станции, антенна с электрическим качанием луча и т. п.) используются

 

Рис. 9.10. Фото спускаемого аппарата советской космической станции «Венера».

 

сложные антенные решетки, состоящие из большого числа спиралей. Взаимная связь между соседними спиралями в таких антеннах не очень велика. Так, коэффициент развязки между спиралями. имеющими одинаковое направление намотки, при расстоянии между ними  , превышает 15 дб. Спираль, помещенная внутрь другой спирали с противоположным направлением намотки, развязана относительно нее на 40 дб.

Спиральная антенна (рис. 9.9), имеющая две противоположно направленные обмотки‚ создает две встречные волны с круговой поляризацией. В дальней зоне образуется линейно поляризованная вольна, направлением поляризации которой можно управлять, меняя сдвиг по фазе между токами в обеих обмотках.

Примеры практического использования спиральных антенн приведены на фото (рис. 9.10 и 9.11). На первой

 

фотографии показана часть советской космической станции «Венера» с установленной на ‘ней логарифмической двухзаходной спиральной антенной, намотанной из плоской металлической ленты на диэлектрическом каркасе. На второй фотографии показана антенна наземной станции космической связи, представляющая собой решетку из четырех цилиндрических спиральных антенн.

 

Рис. 9.11. Фото антенны наземной станции космической связи [6].