ПРОЕКТИРОВАНИЕ СПИРАЛЬНОЙ АНТЕННЫ
Цель работы и исходные данные
Цель работы – рассчитать спиральную антенну, используя приведённые ниже в таблице данные
Параметр
Значение параметра

Рабочая частота
800 МГц

Коэффициент усиления
30

Режим передающий
-

Уровень боковых лепестков
-15 дБ

Мощность передачи

в импульсном режиме
10 кВт

при скважности
100 кВт

 
   
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:
Условное обозначение
Расшифровка
Значение

С
скорость света
300 (см)

F
рабочая частота
800 (см)

L (С/F )
рабочая длина волны в свободном пространстве
36.5 (см)

D
диаметр витка спирали (см)
-

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
Условное обозначение
Расшифровка

n
число витков спиральной антенны

a
угол подъёма витка

R
радиус спирали

S
шаг витка спиральной антенны

L
длина витка спирали

 
.Развёртка витка спиральной антенны
 
 
S L

a
2 P R
Основные соотношения следуют из рисунка:
L =(2 P R)+S
Sin a =S/L
l=nS
2 q 0.5 = ( Ширина диаграммы направленности по половинной мощности в градусах)
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:

-волновое сопротивление конусной части перехода
-волновое сопротивление подводящего фидера 75 Ом
-волновое сопротивление спиральной антенны

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)