Линии задержки в виде спирали – классика радиотехники. Поэтому исторически спираль для замедления радиоволны (т.е. создания направленной антенны см. п. 13.1.3) использовали едва ли не первой. Еще в 30-е годы прошлого века.
Спиральная антенна представляет собой однослойную катушку с большим в длинах волн диаметром и шагом намотки. Для получения однонаправленной ДН сзади катушки помещают большой апериодический рефлектор-поверхность. Такая конструкция показана в файле …Helix7.gaa и на рис. 13.4.14.
Из этого рисунка видны два основных недостатка спиральных антенн:
плохое подавление назад и вбок (не превышает 20 дБ, худшие точки 12…15 дБ).
Высокое входное сопротивление, требующее согласования (но не всегда, см табл. 13.4.1).
Но есть и достоинства:
вращающаяся поляризация.
Очень широкая полоса (отношение FMAX/FMIN приближается к 2) и вытекающая отсюда малая критичность к размерам.
Большой уровень боковых и задних лепестков являются неотъемлемым свойством спиральной антенны, точнее, свойством линии задержки спиральной формы. Подавление назад пытаются повысить хотя бы до 20 дБ большими рефлекторами сложной формы, но отсюда уже недалеко и до зеркальных антенн.
Спиральная антенна закручивает вращение плоскости поляризации. Направление вращения совпадает с направлением намотки спирали. Для хорошего коэффициента эллиптичности спираль должна содержать целое число витков. Это вытекает из того, что любая антенна вращающейся поляризации должна содержать равное количество вертикальных и горизонтальных частей
Поскольку спиральная антенна это катушка, то ее размеры и задаются как для катушки:
диаметр оправки D, на которой намотана спираль.
Шаг намотки S.
Число витков N.
Как и в любой другой антенне N (т.е. число одновитковых элементов) определяет усиление. А диаметр D и шаг S задают степень замедления (оптимальную фазовую скорость), т.е. должны быть связаны с длиной волны l.
Но с какой именно l? Спиральная антенна ведь широкополосна. Частота (и, соответственно, длина волны) меняются в полосе почти вдвое. Какую l брать для расчетов?
Поскольку ответ на последний вопрос в разных источниках не стандартизирован, то и формулы расчета спиральной антенны в них различаются. Чтобы избежать путаницы, будем брать l той частоты (назовем ее оптимальной, FOPT), на которой усиление антенны максимально.
На рис 13.4.15 показано как меняется от количества витков оптимальный диаметр каркаса D, выраженный в l. Шаг намотки S должен составлять 0,22 … 0,24l.
Усиление Ga зависит только от числа витков N спирали (считается, что оптимальный диаметр D, соответствующий данному N уже установлен), как показано на рис. 13.4.16 (собственные расчеты и [7], [15]).
Спираль должна содержать не менее 3 витков, чтобы сформировалась направленная ДН (файл …Helix3.gaa). Для излучения в одну сторону сзади спирали на расстоянии 0,12l помещают сетчатый или сплошной рефлектор, который должен:
иметь диаметр 0,8l если он круглый.
Размер стороны 1,1l если квадратный.
Входное сопротивление спиральной антенны зависит, прежде всего, от диаметра провода спирали. Ведь спиральная антенна представляет собой спиральную длинную линию. И волновое сопротивление этой линии (в данном случае Ra) сильно зависит от диаметра провода. Точно так же, как у любой другой линии (п. 3.2.2).
Зависимость Ra спиральной антенны от диаметра провода в l, приведена в таблице 13.4.2.
d в l | 0,5% | 1% | 2% | 3% | 4% | 5% | 7% |
Ra, Om | 240 | 190 | 140 | 115 | 87 | 75 | 50 |
Так что приводимое во многих источниках входное сопротивление спиральной антенны 140 … 160 Ом является просто частным случаем намотки спирали проводом диаметром 1,5…2% l.
Для упрощения согласования имеет смысл использовать провод 3% l. И полученное Ra = 115 Ом, понижать до 50 Ом четвертьволновым отрезком кабеля 75 Ом. Пример такой конструкции показан в файле …Helix_WiFi.gaa и на рис. 13.4.17. Это 14-ти витковая спиральная антенна на диапазон WiFi 2450 МГц.
Частотные свойства спиральной антенны (на примере 7-ми витковой …Helix7.gaa) показаны на рис. 13.4.18 (усиление) и рис. 13.4.19 (КСВ, дан относительно 190 Ом, т.к. диаметр провода в этой модели около 1% l).
Как видно из сравнения этих двух рисунков полоса по усилению меньше полосы по КСВ. По уровню снижения Ga на 3 дБ полоса на рис. 13.4.17 составляет 1280 – 2080 МГц. КСВ в этой полосе только на верхнем краю достигает 1,5.
Оптимальная по усилению частота расположена не в середине полосы, а ближе к верхней границе. Так, на рис. 13.4.17 FOPT = 1880 МГц. До верхней границы 200 МГц, а до нижней втрое больше, 600 МГц.
Это надо иметь в виду при расчетах. Полезно задавать FOPT процентов на 10 … 15% выше желаемой средней частоты. Особенно принимая во внимание, что пластиковые части конструкции (траверса, распорки) сдвинут вниз частотную характеристику антенны. Если спираль мотается прямо на пластике, то необходимо учитывать что антенна станет электрически длиннее в корень из e раз.
В заключение этого раздела несколько приемов по редактированию моделей спиральных антенн.
Диаметр намотки D легко менять масштабированием по осям Y и Z.
Масштабирование только по одной оси X меняет шаг намотки.
Если коэффициент эллиптичности получился плохим (V и H составляющие ДН заметно отличаются), то подогнать его к 1 можно удаляя дальние провода спирали (по одному и каждый раз пересчитывать и смотреть разницу V и Н ДН).
Bonn, 09.03.2012