Антенны с круговой поляризацией

Помимо антенн, излучающих и принимающих линейно поляризованные волны, на практике применяются антенны с круговой поляризацией, у которых электрический и маг­нитный векторы поля при распространении вращаются с ча­стотой, равной несущей.

По аналогии с оптикой антенны, у которых электрический вектор вращается по часовой стрелке, если рассматривать луч идущим на наблюдателя, называются левополяризованными, а антенны с противоположным вращением называ­ются правополяризованными.

Волну, поляризованную по кругу, можно рассматривать как результат наложения двух волн одинаковой амплитуды и частоты, линейно поляризованных в двух взаимно-перпен­дикулярных плоскостях и распространяющихся в рассматри­ваемом направлении со сдвигом фаз в 90°. Поэтому, если взять два взаимно-перпендикулярных вибратора, несущих токи равных амплитуд, но сдвинутых по фазе на 90°, то в направлении, перпендикулярном плоскости этих вибраторов, будут распространяться волны, поляризованные по кругу, как это показано на рис. 75. В других направлениях будет эллиптическая поляризация, а в плоскости вибраторов — ли­нейная, совпадающая с плоскостью вибраторов.

Волны, поляризованные по кругу, можно получить и по­средством синфазно питаемых небольшой круглой рамки (кольцевой антенны) с равномерным распределением тока и полуволнового вибратора, размещенного в ее центре, обеспе­чив при этом определенные соотношения токов в обеих антен­нах (рис. 76).

Синфазно питать кольцевую антенну и вибратор с соблю­дением требуемых соотношений токов весьма трудно. Однако модель антенны из вибратора и кольца подсказывает конст­рукцию в виде спирали.

Если спираль будет иметь такие размеры, при которых распределение тока в ней будет равномерным, то при соблюдении условия 2pR = , где R — радиус спирали, d — ее шаг, а l— длина волны, излучение ее в экваториальной пло­скости (плоскости, перпендикулярной ее оси) будет поляри­зованным по кругу.

При практическом осуществлении подобных антенн воз­никают трудности в получении равномерного распределения тока по спирали. Чтобы избежать их, спираль делают многозаходной из коротких проволочек. На рис. 77 приведены оптимальные размеры такой спиральной антенны, при соб­людении которых антенна обладает тороидальной характе­ристикой излучения (см. рис 8) с максимумами в направ­лениях, перпендикулярных ее оси.

Когда окружность спирали становится приблизительно равной длине рабочей волны, то излучение остается поляризованным по эллипсу и имеет максимум в направлении оси спирали.

Действительно, если выбрать радиус спирали таким обра­зом, чтобы в каждый момент времени области положитель­ных и отрицательных зарядов находились в противополож­ных точках диаметра витка спирали, то с течением времени заряды будут перемещаться вдоль спирали и электрическое поле, перпендикулярное оси спирали, будет вращаться, при­нимая круговую или близкую к ней поляризацию.

 

Если шаг спирали 8 (рис.78) выбран так, что излучения от отдельных элементов витков совпадают по фазе в беско­нечно далекой точке, лежащей на оси спирали, то макси­мальное ее излучение будет направлено вдоль оси.

Детальные экспериментальные исследования показывают, что подобные спиральные антенны с осевым излучением обладают хорошими диапазонными свойствами. На рис. 79 приведены экспериментально снятые диаграммы направлен­ности спиральной антенны, имеющей следующие размеры (в обозначениях, данных на рис. 78): D = 0,31l₀; d = 0,24l₀; S = 1,44l₀, где l₀ — средняя волна диапазона. Эта антенна обладает вполне удовлетворительными диаграммами при изменениях рабочей волны в пределах от 0,75 до 1,25l₀. Что же касается ее входного сопротивления, то результаты измере­ний показывают, что коэффициент бегущей волны (КБВ) в 125-омной линии изменяется в пределах от 0,7 до 0,97 в полосе частот ±25% от опти­мальной.

Приведенные выше размеры спирали не являются очень критичными, поэтому на практике можно встретиться со спи­ральными антеннами и других размеров. В 1953 г. индийским ученым Чаттерджи были предложены спи­ральные антенны с переменным диаметром намотки. Такие антенны по­лучили название конических спиралей. Достоинством конических спи­ральных антенн, является большая диапазонность, чем у цилиндриче­ских спиралей.

Коэффициент усиления спиральных антенн, работающих в режиме осевого излучения, может быть определен по сле­дующей приближенной формуле:

G = 15 (43)

где L — длина одного витка спирали;

d — ее шаг;

п — число витков;

l — длина волны.

При работе спиральной антенны с линейно поляризован­ной антенной ее коэффициент усиления будет ^{примерно} в два раза меньше, чем это дается формулой (8), так как в ней коэффициент усиления определен по отношению к изотропному излуча­телю с круговой поляризацией.

Что касается углов раствора главного лепестка и входных сопротивлений антенн, то они могут быть оценены по сле­дующим формулам:

1) угол раствора лепестка между точками половинного значения мощности

F₀ = q₀ = 52^о ; (44)

2) ширина диаграммы между первыми нулями

υ ₀ = 115^о (45)

3) входное сопротивление

R_А≈ 140 Ом (46)

Для получения более высоких коэффициентов усиления применяют параллельное включение нескольких синфазно питаемых спиралей (рис. 80). Спиральные антенны исполь­зуются также в качестве элементов возбуждения других ти­пов антенн.

На очень коротких волнах для получения волн с круговой поляризацией вместо спиралей применяют рупоры специаль­ной конструкции, схематическое устройство одного из вари­антов которых показано на рис. 81. Этот рупор возбуждается питающим волноводом 1 с основной магнитной волной Н₁₀, но между рупором и волноводом выставлены плавный пере­ход 2, поворачивающий рупор на 45° относительно оси волновода, и фазирующая секция 3. В результате поворота вол­новода на 45° волна, входящая в фазирующую секцию 3,разлагается на две взаимно-перпендикулярные составля­ющие.

 

Для получения круговой поляризации необходимо еще сдвинуть обе составляющие на 90° относительно друг друга. Эту задачу и выполняет фазирующая секция 3, помещенная между плавным переходом 2и рупором 4.

Существует два основных типа фазирующих секций. В первом из них нужный сдвиг фаз обеспечивается за счет разности фазовых скоростей обеих составляющих волн Н₁₀ и Н₀₁, получающейся за счет различия поперечных разме­ров фазирующей секции, представляющей в этом случае волновод прямоугольного, но не квадратного сечения.

При другом способе в фазирующую секцию вставляется продольная диэлектрическая пластинка 5, которая конструи­руется так, чтобы она влияла лишь на фазовую скорость одной из волн.

Фазирующие секции второго типа могут быть прямоуголь­ными, квадратными или круглыми.