Фев 052019
 

Приветствую, дорогие друзья. На связи человек-антенна Тимур Гаранин.

Меня просили и сегодня я сделаю лекцию о принципах работы спиральных антенн.

 

Начнем с того, что такое Круговая поляризация. (КРУГОВАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ. РЕЖИМ ОСЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ)

Что такое линейная, или плоская поляризация, я думаю, все мы знаем. Это когда вектор напряженности электрического поля движется вверх вниз, или вправо влево.

Круговая поляризация подразумевает вращение вектора электрического поля. Причём вращение бывает правым и левым. Круговую поляризацию можно создать несколькими способами. Например, можно использовать систему из двух перпендикулярных вибраторов, сигнал в которых сдвинут на 90 градусов. Так работают многие антенны, например турникетная антенна или широкополосные логопериодическая и Вивальди.

А можно создать круговую поляризацию, направив сигнал на круговой виток полотна. Именно этот способ используют в спиральных антеннах, и сейчас мы детальнее рассмотрим, что происходит внутри витка спиральной антенны.

В спиральных антеннах длина витка примерно равна одной длине волны в полотне. Представим, что мы подаем на этот виток синусоидальный сигнал, и в начале витка у нас точка максимального потенциала. Соответственно, через половину длины волны, то есть на противоположном конце витка у нас точка минимального потенциала. Сигнал продолжает распространяться по полотну. Следовательно, точки минимума и максимума потенциала сдвигаются, что приводит к вращению вектора электрического поля между этими точками.

Мы рассмотрели, что происходит с одним витком. А теперь представим, что у нас много витков, длина каждого из которых равна длине волны.

В этом случае точки максимумов и минимумов потенциала во всех витках двигаются синхронно.

Но есть один очень важный нюанс.  Если поле витков будет синхронно, то антенна будет излучать в круговом режиме.

Для того, чтобы антенна излучала в осевом направлении, нам не нужно чтобы максимумы и минимумы потенциалов в витках двигались синхронно.  Нам нужно, чтобы максимум потенциала во втором витке появился в нужной точке не одновременно с первым витком, а тогда, когда электрическое поле от первого витка дойдет до второго. То есть с маленькой задержкой. В этом случае поле 1 витка и 2 витка складываются. Дальше суммарное поле двух витков достигает третьего витка, и только в этот момент максимум потенциала в третьем витке должен оказаться в нужном месте.

Если такая задержка правильно реализована, то, пройдя вдоль всех витков, электрическое поле значительно усилится в осевом направлении. Этим и объясняется очень узкая диаграмма направленности спиральной антенны.  Для того, чтобы реализовать подобную задержку, нужно либо немного увеличить длину витка, либо чуть-чуть повысить частоту.

Сколько витков нужно, чтобы спиральная антенна эффективно преобразовывала сигнал в электрическое поле? Так как спиральная антенна — это антенна бегущей волны, то теоретически, чем больше, тем лучше. Но на практике длина спиральной антенны в осевом направлении обычно составляет около 1 длины волны пространстве.

Всё, что мы говорили о передающей антенне, относится и к приёмной. Приёмная и передающая спиральные антенны конструктивно идентичны и взаимозаменяемы.

Одним из свойств сигнала с круговой поляризацией является то, что при отражении сигнала от объектов его поляризация меняется на противоположную. То есть левая поляризация меняется на правую, и наоборот. Это означает, что приёмная антенна не способна принимать отраженный сигналы. Спиральные антенны могут работать только в режиме прямой видимости.  Но зато они обладают выдающейся узкой диаграммой направленности, что очень выгодно  для межпланетных передач. Поэтому на многих космических аппаратах и планетоходах установлены именно спиральные антенны.

ПАУЗА

А теперь поговорим про работу спиральной антенны в режиме кругового излучения. Для этого режима необходимо, чтобы длина витков была абсолютно равна длине волны в полотне. Рассмотрим, как расположены точки максимумов и минимумов потенциала в полотне антенны в таком случае. Даже сейчас уже просматривается сходство с зигзагообразной антенной. Так и есть. В полотне спиральной антенны сигнал распределяется точно так же как в полотне зигзагообразной антенны. Но есть разница в их диаграммах направленности. Спиральная антенна излучает во все стороны по горизонту равномерно. В то время как у зигзагообразной антенны максимумы диаграммы направленности находятся спереди и сзади антенны.

Зато диаграмма направленности турникетный антенны полностью совпадает с диаграммой направленности спиральной антенны. В принципе, по характеристикам излучения турникетная и спиральная антенны — братья близнецы. Это как раз тот случай, когда конструктивно разные антенны полностью совпадают по характеристикам излучения. Спиральная антенна создаёт вращающаеся поле при помощи витков сплошного полотна, турникетная антенна создает такое же вращающееся поле при помощи отдельных перпендикулярных вибраторов.

В режиме кругового излучения поляризация сигнала совпадает с поляризацией элементарных излучателей. В данном случае поляризация сигнала будет горизонтальной. И принимать такой сигнал можно при помощи обыкновенного горизонтального диполя.

ПАУЗА (РЕЖИМ ПОПЕРЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ)

Режим осевого и кругового излучения это ещё не все режимы, в которых может работать спиральная антенна. (ПЕЧАТНАЯ КВАДРАТНАЯ ПЛОСКАЯ СПИРАЛЬ)

Представим, что у нас есть плоская спиральная антенна, и мы подаем на неё сигнал, длина волны которого сильно больше длины витка антенны. В идеальном случае длина всего  полотна антенны равняется четверти длины волны подаваемой частоты. В этом случае ток во всех витках антенны будет течь в одном направлении, и вся антенна будет работать как магнитная антенна вибраторного типа. Она будет создавать вокруг себя переменное магнитное поле. И максимумы диаграммы направленности будут расположены в плоскости витков антенны. Такой режим работы антенны называется поперечным.

 

Также форму спирали часто имеют укороченные стержневые антенны, напиример в некоторых мобильных устройствах. Но к спиральным антеннам их не стоит относить, т.к. их излучение аналогично излучению обычного несимметричного вибратора.

 

Мы рассмотрели 3 режима работы спиральных антенн, осевое излучение, круговое и поперечное излучение. Стоит отметить, что в 98% случаев спиральные антенны используются именно в режиме осевого излучения. Так как именно этот режим обеспечивает самую узкую диаграмму направленности и, соответственно, бОльшую дальность приема и передачи.

ПАУЗА (СОГЛАСОВАНИЕ)

Как спиральная антенна подключается к кабелю?

Оплетка кабеля подключается к рефлектору, а центральный провод — к полотну антенны. Но здесь есть один нюанс. Волновое сопротивление полотна спиральной антенны очень велико, около 300 ом. Это значительно больше, чем волновое сопротивление кабеля. Для того, чтобы согласовать их волновые сопротивления используют согласующее устройство, которое выглядит как вытянутый треугольник, либо просто полоска металла. Суть согласующего устройства состоит в том, что оно должно плавно перевести маленькое волновое сопротивление кабеля в высокое сопротивление полотна антенны.

Есть ещё один способ. Создание антенных решеток. Спиральные антенны можно очень легко включать параллельно, и при этом их волновое сопротивление будет разделено на количество антенн. То есть, если мы включим параллельно 4 спиральные антенны, каждая из которых имеет сопротивление 300 ом, то их суммарное сопротивление составит заветные 75 ом. Более того, аккуратно выполненная антенная решетка ещё больше сузит диаграмму направленности и увеличит дальность приёма.

Пару слов о рефлекторе. Я уже говорил, что отражение сигнала с круговой поляризацией меняет направление поляризации, и такой сигнал будет бесполезен для приёма. Но почему же тогда мы применяем рефлекторы? Дело в том, что рефлектор находящейся позади антенны меняет не только вращение круговой поляризации, но и само направление распространения волны. И в таком случае прямой и отраженный сигнал будут синфазны.

Рефлектор обычно представляет собой квадрат или круг диаметром около 1 длины волны.

Однако, спиральные антенны могут работать и без рефлектора. В космонавтике широко распространены антенны, в которых кабель подключается к двухпроводному полотну.  Такая антенна содержит две спирали, повернутые друг относительно друга на 180 градусов. Таким образом максимумы и минимумы потенциала в этих антеннах автоматически располагаются диаметрально. А концы спиралей замыкаются друг на друга, что исключает возникновение стоячих волн даже, если антенна содержит мало витков.

ПАУЗА (ВАРИАНТЫ КОНСТРУКЦИЙ СПИРАЛЬНЫХ АНТЕНН)

Классическая архитектура спиральной антенны очень чувствительна к частоте, то есть антенна очень узко диапазонная. Малейший сдвиг по частоте уже приводит к сдвигу максимумов и минимумов потенциала в витках.

Как можно расширить частотный диапазон спиральных антенн? Для этого начинают менять  длину, толщину витков и шаг между витками. Кроме того, спираль антенны могут выполнять на коническом, сферическом и даже плоском основаниях. Таким образом, получаются конические, плоские и другой геометрии спиральные антенны. Они всё также изучают в осевом направлении, но теперь их частотный диапазон значительно расширен. Фактически, на каждой конкретной частоте такие антенны излучают не всеми витками, а только теми, длина которых совпадает с длиной волны. Поэтому ради широкополосности жертвуют коэффициентом усиления на каждой конкретной частоте.

ПРИМЕНЕНИЕ ДИРЕКТОРОВ

Но иногда узкая диаграмма направленности и коэффициент усиления являются критически важными. Например, для межпланетной связи. В таком случае оправдано применение директорных систем. Директоры спиральных антенн работают точно так же как и в любых других антеннах. Это набор пассивных вибраторов, которые усиливают сигнал в заданном направлении.

ПАУЗА

А сейчас давайте закрепим, что мы сегодня узнали:

1. В режиме осевого излучения спиральная антенна создаёт сигнал с круговой поляризацией

2. В режиме осевого излучения длина витков спиральной антенны должна быть немного больше длины волны в полотне для создания фазового сдвига в осевом направлении

3. В режиме кругового излучения длина витка спиральной антенны должна быть точно равна длине волны сигнала в полотне.

4. В режиме кругового излучения сигнал спиральной антенны полностью аналогичен сигналу турникетной антенны.

5. Если длина витков спиральной антенны намного меньше длины волны сигнала, то антенна работает в режиме поперечного излучения, подобно магнитной антенне

6. Для согласования высокого волнового сопротивления спиральной антенны с низким сопротивлением кабеля используются либо согласующие устройства, либо включение нескольких антенн параллельно в антенной решётке

7. Спиральные антенны могут использоваться как с рефлектором, так и с двухпроводной схемой спирали.

8. Для расширения полосы частот применяют спиральные антенны с переменными длиной, толщиной витка и шагом между витками.

9.  Для увеличения дальности приёма и коэффициента усиления в заданном направлении используют директорные системы.

 

На этом я заканчиваю данное видео. Надеюсь, вы извлекли из него определённую пользу. Всем удачи!

 Ответить