Проектирование спиральной антенны

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СПИРАЛЬНОЙ АНТЕННЫ

Цель работы и исходные данные

Цель работы тАУ 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

Ва

Ва Ва

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

Ва

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

Ва

.Развёртка витка спиральной антенны

Ва

S L

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

Ва

Ва Ва 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

Ва

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:

Ва

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

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 тАЬэффективный уровень боковых лепестковтАЭ

или дБ

Для уменьшения уровня боковых лепестков следует увеличить размер рефлектора и сделать его форму более сложной

Эскиз рефлектора для уменьшения уровня боковых лепестков

Ва

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