Курсовая

Курсовая на тему Спиральная антенна

Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-06-25

Поможем написать учебную работу

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего

от 25%

Подписываем

договор

Выберите тип работы:

Скидка 25% при заказе до 22.11.2024


СОДЕРЖАНИЕ.

1.Режимы излучения спиральной антенны                                                      2

2.Расчетные соотношения для цилиндрической спиральной антенны         5

3.Плоская арифметическая спиральная антенна                                               8

4.Равноугольная (логарифмическая) спиральная антенна                               11

5.Пример расчета цилиндрической спиральной антенны                              14

Список использованной литературы                                                                 16

Спиральная антенна1. Режимы излучения спиральной антенны.

1.1. Спиральная ан­тенна представляет собой свернутый в спираль провод (1), который питается через коаксиальный фидер (2) (рис. 1, а). Внутренний провод фидера соединяется со спиралью, а внешняя оболочка фидера — с металлическим диском (3). Последний служит рефлектором, а также препятствует проникновению токов с внутренней на наружную поверхность оболочки фидера. Спираль может быть не только цилиндриче­ской, как на рис. 1, а, но и конической (рис. 1, в) и плоской (рис. 7) или выпуклой.

Спиральная антенна

Рис.1. Спиральные антенны:

 а - цилиндрическая; б – развёрнутый виток; в – коническая.

Цилиндрическая спиральная антенна характеризуется следующими геометрическими размерами: радиусом а, шагом s, длиной одного виткаСпиральная антенна, числом витков p, длиной по оси Спиральная антенна, углом подъема  .

Как видно из схемы антенны и изображения развернутого витка спирали (рис. 1, б), между размерами антенны имеются следующие зависимости:

Спиральная антенна            ,       ,Спиральная антенна

1.2. Спиральные антенны используются на УКВ в режиме бегущих волн с осевым излучением и вращающейся поляризацией. Такой режим требует определенных соотношений между размерами антенны и дли­ной волны. Выявим эти соотношения.

Спиральная антеннаТок высокой частоты, проходя но спирали, вызывает излучение электромагнитных волн. Достаточно десяти-одиннадцати витков, что­бы вся подводимая к антенне энергия излучалась в пространство и не происходило отражения волн от конца спирали. Такая бегущая волна тока распространяется вдоль провода спирали с фазовой скоростью , т. е., с замедлением Спиральная антенна.

Спиральная антенна

 

Рис.2.Виток спиральной антенны                                                                                 

Волна проходит один виток (от сечения 1 к сечению5 на рис. 2) за время.Электро­магнитные волны, возбуждаемые током спирали, распространяются в воздухе со скоростью с и длиной волныСпиральная антенна.

Если бы все витки сливались, то достаточно было установить время, равным периоду колебанийСпиральная антенна,                                       т. е.Спиральная антенна, чтобы поля любой пары противоположных элементов (1-3,2-4) спирали совпадали по фазе и полностью складывались в точках оси 0'0", которая равноудалена от контура витка. Это объясняется тем, что в пределах одного витка ам­плитуды тока практически одинаковая, а различие в фазе на угол в диаметрально противоположных сечениях витка (1-3, 2-4) компенсируется противоположным направлением токов в них.

В случае спирали цилиндрической формы с шагом s условие мак­симального осевого излучения формулируется несколько иначе: за вре­мя прохождения тока по витку электромагнитная волна долж­на пройти в воздухе расстояние большее, чем длина волны, на шаг s:

Спиральная антенна; соответственно

Спиральная антенна                                                            (1)

При таком коэффициенте замедления токи в любых двух сечениях, расположенных под углом 90° (например, в 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4, 4 и 5), вызывают на оси О'О" поля, которые сдвинуты по фазе на 90°, и волны, которые поляризованы под углом 90°. В результате сложения этих линейно-поляризованных волн получаются волны с круговой поляриза­цией.

1.3. Опытным путем установлено, что с увеличением длины волны    фазовая скоростьСпиральная антенна уменьшается, а коэффициент замедления увеличивается во столько же раз. Благодаря этому условие осевого излучения (1) поддерживается в широком диапазоне волн:

(рис. 3, а).

Спиральная антенна

                   Рис.3.ДН цилиндрической спиральной антенны

                               при различной длине витка спирали

При длине витка Спиральная антенна набег фазы в 360° происходит при про­хождении волной тока нескольких витков спирали. При этом антенна уподобляется электрически малой рамке из N витков провода, которая имеет ДН в виде восьмерки с максимумами излучения в плоскости, перпендикулярной оси спирали (рис. 3, б). Если, то на одном витке спирали укладывается две, три и более волн, а это приво­дит к наклонному излучению и конусной форме пространственной ДН (рис. 3, в).

1.4. Наиболее выгодный режим — осевого излучения, который, как известно, требует длины витка и обеспечивает полосу пропус­кания  .  Эта полоса может быть значительно расширена путем перехода к конической антенне (рис, 1, б), в которой участок (2) со средней длиной витка Спиральная антенна удовлетворяет условию, а крайние участки (1, 3) с большими () и меньшими (Спиральная антенна) длинами витков удовлетворяют аналогичным условиям, но для мак­симальной Спиральная антеннаи минимальной  длин волн рабочего диапазона:

Спиральная антенна,. В зависимости от ра­бочей длины волны интенсивно излучает только одна из зон спирали и только этой активной зоной определяется острота ДН.

2. Расчетные соотношения для цилиндрической спиральной ан­тенны.

2.1. Чтобы получить максимальный КНД, нужно установить оптимальный коэффициент замедления, при котором в направле­нии оси спирали 0'0" (рис. 2) поля первого и последнего витков на­ходятся в противофазе. Иначе говоря, необходимо дополнить условие (1) задержкой волны тока спирали на полупериод Т/2, а в каждом витке ее — на :

Спиральная антенна.

Отсюда находим оптимальный коэффициент замедления вдоль провода спирали:

                   Спиральная антенна    ,                                   (2)

При этом, правда, получается эллиптическая поляризация, но так как, то коэффициентСпиральная антенна весьма незначительно от­личается от Спиральная антеннаи полученную поляризацию можно считать круговой. Полагая = 1,2 ... 1,3, определим из выражения (2) угол подъема спирали, соответствующий оптимальным условиям работы антенны

Спиральная антенна:

Спиральная антенна

Отсюда

Спиральная антенна,                                               (3)

Длина спирали Спиральная антеннаподбирается в соответствии с оптимальным ко­эффициентом замедления вдоль оси спиралиСпиральная антенна. При =1,2…1,3 имеемСпиральная антенна, что соответствует углу подъема спирали =12 ... 16° и числу витков р = 5 ... 14.

2.2. Рассматривая каждый виток спирали как элементарный излу­чатель с фазовым центром на оси 0'0", определяем функцию направлен­ности антенны Спиральная антенна как произведение функции направленности одного витка Спиральная антенна на множитель решетки из р элементовСпиральная антенна. Так как р велико, а направленность одного витка мала, то принимаемСпиральная антенна. В резуль­тате имеем

Спиральная антенна(4)

Угол Спиральная антенна, как и прежде, отсчитывается от перпендикуляра к оси линей­ной решетки.

2.3. Для спиральных антенн оптимальных размеров опытным путем установлены следующие формулы:

ширина диаграммы направленности

Спиральная антенна,                                                                     (5)

коэффициент направленного действия

Спиральная антенна       ,                                               (6)

 входное сопротивление

Спиральная антенна,                                                           (7)       

2.4. Итак, цилиндрические и конические спиральные антенны  широкополосные с осевым излучением волн круговой поляризации. Направленность цилиндрических спиралей средняя, а конических — ниже средней (не вся спираль участвует в излучении на данной часто­те), но последние обладают большей диапазонностью. Применяются и те и другие как самостоятельные антенны в диапазонах дециметровых а метровых волн, а также как облучатели антенн сантиметровых волн.

3. Плоская арифметическая спиральная антенна.

3.1. В процес­се развития радиотехники все больше требуются антенно-фидерные устройства, рассчитанные на работу в очень широком диапазоне ча­стот и притом без всякой перестройки. Частотная независимость таких антенно-фидерных устройств основана на принципе электродинамиче­ского подобия.

Этот принцип состоит в том, что основные параметры антенны (ДН и входное сопротивление) остаются неизменными, если изменение дли­ны волны Спиральная антенна сопровождается прямо пропорциональным изменением ли­нейных размеров активной области антенны. При соблюдении данного условия антенна может быть ча­стотно-независимой в неограничен­ном диапазоне волн. Однако разме­ры излучающей структуры конеч­ны и рабочий диапазон волн лю­бой антенны тоже ограничен.

Спиральная антеннаИз этой группы антенн рассмот­рим плоские арифметические и равноугольные спирали и логариф­мически-периодические антенны.

Спиральная антенна

       Рис.4.  Арифметическая спираль

3.2. Арифметическая спираль вы­полняется в виде плоских металли­ческих лент или щелей в металли­ческом экране (рис. 4). Уравне­ние этой спирали в полярных координатах

Спиральная антенна

где Спиральная антенна — радиус-вектор, отсчитываемый от полюса О; а — коэффициент, характеризующий приращение радиус-вектора на каждую единицу приращения полярного угла ; b — начальное значение радиус- вектора.

Спираль может быть двухзаходной, четырёхзаходной и т. д. Если спираль двухзаходная, то для ленты (щели) /, показанной штриховы­ми линиями, угол Спиральная антенна отсчитывается от нуля, а для ленты //, показанной сплошными линиями, — от 180°, т. е. спираль образована совершенно идентичными лентами, повернутыми на   180° друг относительно друга.

Начальные точки ленты / соответствуют радиус-векторам, которые обозначим Спиральная антенна и . Следовательно, ширина лентыСпиральная антенна. Описав один оборот, лента занимает поло­жение D, в котором радиус-вектор больше начального на. На этом отрезке ВD размещаются две ленты и два зазора, и если ширина их одинаковая, то, Отсюда определяем коэффициентСпиральная антенна.

3.3. Питание спирали может быть противофазным, как на рис. 4, или синфазным. В первом случае токи через зажимы А, В, соединяю­щие ленты с фидером, имеют противоположные фазы. Путь тока в лен­те / больше, чем в ленте //, на полвитка. Например, в сечении СD лента // попадает, описав полвитка, а лента / — один виток, в сечение ЕF—соответственно полтора и два витка и т. д. Поскольку длина витка по мере развертывания спирали возрастает, увеличивается рас­хождение фазы токов в лентах. Обозначив средний диаметр витка  находим сдвиг по фазе, соответствующий длине полувитка:

Спиральная антенна

Если к этому прибавить начальный сдвиг, равный Спиральная антенна, то получим результирующее расхождение по фазе токов в смежных элементах двухпроводной линии

Спиральная антенна

За счет второго слагаемого угол Спиральная антенна отличен от , а в таких условиях электромагнитные волны излучаются, даже если зазор между лентами мал по сравнению с длиной волны.

Интенсивно излучает только та часть спирали, в которой токи смеж­ных элементов обеих лент совпадают по фазе:

Спиральная антенна

Подставляя Спиральная антенна, находим, что средний диаметр первого «резонанс­ного» кольца Спиральная антенна, а периметр этого кольца .Сред­ний диаметр и периметр второго (k=2), третьего (k=3) и т. д. «ре­зонансных» колец соответственно в три, пять, ... раз больше. Так как излучение радиоволн спиралью вызывает большое затухание тока от ее начала к концу, то интенсивно излучает только первое резонансное кольцо, а остальная, внешняя часть спирали как бы «отсекается» {явление отсечки излучающих токов}.

3.4. Активная часть спирали представляет наибольший интерес и по другой причине. Затухание тока, вызванное излучением, настолько велико, что отражение от конца спирали практически отсутствует, т. е. ток в спирали распределяется по закону бегущих волн. К тому же пе­риметр первого резонансного кольца равен длине волны Спиральная антенна. В таких условиях, как показано в п. 1, происходит осевое излучение с вращаю­щейся поляризацией, которое в данном случае наиболее желательно.

Диаметр спирали должен быть достаточно велик, чтобы на макси­мальной волне диапазона сохранилось первое «резонансное» кольцо (),а с уменьшением длины волны это кольцо долж­но сжиматься до тех пор () , пока оно еще может полностью разме­ститься вокруг узла питания. Тогда в пределах  отноше­ние среднего периметра первого «резонансного» кольца  к длине волны Спиральная антенна остается постоянным и тем самым выполняется основное условие сохранения направленных свойств антенны в широком диапазоне волн Правда, направленность арифметической спирали невелика (60 ... 80°), поскольку в излучении волн участвует, по существу, только та часть спирали, которая имеет средний пери­метр, равный .

Второе условие получения диапазонной антенны—постоянство входного сопротивления — достигается здесь тем, что спираль ра­ботает в режиме бегущей волны тока. Это сопротивление активное (100—200 Ом). При питании от коаксиального фидера ( Ом) согласование производят ступенчатым или плавным трансформатором.

3.5. Спираль излучает по обе стороны своей оси. Чтобы сделать ан­тенну однонаправленной, ленточную спираль помещают на диэлектри­ческой пластине толщиной Спиральная антенна, другую сторону которой металлизи­руют. Если же спираль щелевая, то ее вырезают на стенке металличе­ского короба; тогда противоположная стенка короба играет роль отра­жающего экрана, а сам короб является резонатором. Чтобы уменьшить его глубину, короб заполняют диэлектриком.

Одна из типовых спиралей имеет диаметр 76 мм, выполнена на пла­стине из эпоксидного диэлектрика, снабжена резонатором глубиной 26 мм, работает в диапазоне волн Спиральная антенна 7.5 ... 15 см при , ширине диаграммы направлен­ности 2' = 60... 80° и коэффициенте эллиптично­сти в направлении макси­мума главного лепестка менее 3 дБ, т. е. практиче­ски поляризацию можно считать круговой. Плоские спиральные антенны удоб­но изготовлять печатным способом на тонких листах диэлектрика с малыми потерями на высоких частотах.

4. Равноугольная  (логарифмическая)  спиральная  антенна.

4.1. Широкодиапазонность антенн такого вида основана на том, что если отношение линейных размеров излучателя к длине волны оста­ется постоянным и излучающая структура полностью определяется ее полярными углами, то направленность антенны оказывается абсолютно независимой от частоты.

Спиральная антеннаСпиральная антенна

Рис.5. Логарифмическая спираль

Равноугольная спираль (рис. 5) строится в полярных координа­тах по уравнению

Спиральная антенна

где Спиральная антенна — радиус-вектор в начале спирали (Спиральная антенна); а — коэффициент,

определяющий степень увеличения радиус-вектора с увеличением полярного угла .

Двухзаходная спираль образуется двумя проводниками или щеля­ми, но в отличие от архимедовой спиральной антенны толщина их не­постоянна и возрастает с увеличением угла . Пусть начальный радиус-вектор на внутренней границе 1-го проводника равен  и на внешнейСпиральная антенна. Тогда уравнениями граничных спиралей являются

 Спиральная антенна                                                                                                            (8)

Спиральная антенна    .                                                                 (9)

4.2. Для оценки диапазонности логарифмической спирали исследуем зависимость отношения  от угла Спиральная антенна. Числитель дроби ,а так как Спиральная антенна,

 то зна­менатель дроби  и искомое отношение Спиральная антенна,(10)

 где Спиральная антенна. Следовательно, изменение длины волны вызывает только смещение активной области спирали на некоторый угол Спиральная антенна, а отношение  и направленное действие антенны от этого не меняются. Если бы спираль была бесконечной, то диапазонность антенны была безграничной, но реальная антенна имеет конечную
длину и эффективно работает в ограниченном, хотя и очень широком диапазоне волн Спиральная антенна,причем  определяется максимальной длиной спирали, а  — минимальны­ми размерами узла питания.

Спиральная антенна4.3. Логарифмическая спираль работает в режиме бегущих волн (вследствие излучения ток затухает к концу спирали), и ее входное сопротивление  Ом.

Спиральная антенна         Рис.6. Щелевая плоская логарифмическая спиральная

                                                       антенна

Типовая щелевая логарифмическая спираль (рис. 6) имеет мак­симальную длину ветви 42,3 см, начальный радиус 0,51 см и коэффи­циент Спиральная антенна = 0,303. Антенна излучает волны с вращающейся поляриза­цией в диапазоне Спиральная антенна см и  не превышает двух при пита­нии спирали от 50-Ом коаксиального кабеля. Параметры антенны на­ходятся в допустимых пределах даже при двадцатикратном изменении длины волны.

5.Пример расчета спиральной цилиндрической антенны.

Для построения диаграммы направленности антенны, пользуясь экспериментальными данными исследования спиральных антенн [1.Рис.1.3.XXV.], вычисляю   по   формулам (4) – (7)  функцию направленности антенны.

Спиральная антенна

Учитывая:                                       

подставим все значения в формулу (4):

 Спиральная антенна.

Спиральная антенна

Используя приложение ”MathCAD 7 professional” получил следующий вид диаграммы направленности антенны:

.

По формуле 5 рассчитываю ширину диаграммы направленности:

Спиральная антенна21.586.

Коэффициент направленного действия :

Спиральная антенна70.768.

Входное сопротивление:

Спиральная антенна

Итак, цилиндрические и конические спиральные антенны  широкополосные с осевым излучением волн круговой поляризации. Направленность цилиндрических спиралей средняя, а конических — ниже средней (не вся спираль участвует в излучении на данной часто­те), но последние обладают большей диапазонностью. Применяются и те и другие как самостоятельные антенны в диапазонах дециметровых и метровых волн, а также как облучатели антенн сантиметровых волн.

Список использованной литературы.

1.Айзенберг Г.З. Антенны ультракоротких волн . «Связьиздат»,М.1957.700 с

2.Лавров А.С.,Резников Г.Б. Антенно-фидерные устройства. «Сов.радио»,М.,1974,368 с.

3.Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны.В 2-х ч.

Ч. 2.Антенны-М.:Радио и связь,1983-296с.



1. Доклад Ирландцы и Южная Америка english
2. Реферат Инфляция. Сущность, виды и последствия
3. Реферат на тему The Role Of The Media (In Australia)
4. Реферат Флаг Вайоминга
5. Курсовая на тему Игра Кто хочет стать миллионером
6. Курсовая на тему Привод цепного конвейера 2
7. Реферат Проблема коррупции и виды борьбы с коррупцией
8. Курсовая на тему Анализ оборачиваемости оборотных средств предприятия
9. Реферат на тему Trip To Hospital Essay Research Paper Trip
10. Курсовая на тему Государственное предпринимательство как метод регулирования экономики