Диапазоном использования - (рабочим диапазоном) антенны будем называть диапазон частот, в пределах которого антена удовлетворяет определенным техническим требованиям. Ширина рабочего диапазона, а также требования, предъявляемые в нем к антенне, могут быть различными. Например, в случае длинноволновых и средневолновых антенн кпд их в рабочем диапазоне не должен быть ниже определенной величины, должна быть обеспечена возможность передачи заданной мощности, на различных рабочих волнах заданного диапазона должна быть обеспечена необходимая полоса пропускания. В случае коротковолновых антенн направленные свойства во всем рабочем диапазоне должны оставаться приемлемыми, входное сопротивление должно изменяться в допустимых пределах, чтобы можно было переходить с одной рабочей волны на другую без перестройки антенны и т. д.
Допустимые изменения входного сопротивления антенны в заданном диапазоне волн в основном определяются необходимостью обеспечения нормальных условий работы генератора, приемлемого кпд фидера и отсутствия перенапряжений в фидере. Уменьшение зависимости входного сопротивления от частоты одновременно приводит к расширению рабочего диапазона антенны и к расширению её полосы пропускания. В заданном рабочем диапазоне требование к направленным свойствам антенны могут быть различными. В некоторых случаях основным может являться постоянство направления максимального излучения, в других – уровень боковых лепестков, в третьих – ширина главного лепестка др.
С точки зрения рабочего диапазона современные антенны можно разбить на:
а) узкополосные (настроенные), основные параметры, которых (входное сопротивление, ширина диаграммы направленности, КНД и др.) сильно зависят от частоты, вследствие чего эти антенны могут работать без перестройки только в узкой полосе частот (относительная полоса частот составляет менее 10%);
б) широкодиапазонные, работающие без перестройки в широком диапазоне частот (от десяти процентов и выше), причем их основные параметры зависят от частоты, но значительно слабее, чем у настроенных антенн;
в) частотнонезависимые, основные параметры, которых теоретически не зависят от частоты.
Построение частотнонезависимых антенн основано на принципе электродинамического подобия, утверждающего, что при одновременном изменении длины волны и всех геометрических размеров антенны в одинаковом отношении (величина этого отношения называется масштабным множителем) характеристики антенны (диаграмма направленности, входное сопротивление и др.) остаются неизменными.
Во всех частотнонезависимых антеннах на данной длине волны в излучении участвует только часть антенны (активная область). При изменении длины волны эта область без изменения своих относительных размеров (размеров в долях волны) перемещается вдоль антенны.
Спиральные антенны относятся к широкодиапазонным и даже к частотно-независимым антеннам (квазичастотно-независимым).
2.3 Фазовые скорости волн тока, вдоль провода регулярной цилиндрической спирали
Для расчета характеристик и параметров сппрпльной антенны необходимо знание фазовой скорости волны тока, распространяющейся вдоль провода спирали. Только зная эту величину, можно производить расчёт характеристик направленности, коэффициента направленного действия, фазовых характеристик, поляризационных характеристик входного сопротивления спиральных антенн.
Чтобы иметь возможность производить расчет перечисленных характеристик и параметров спиральной антенны в широком интервале частот, необходимо установить зависимость фазовых скоростей волн тока,распространяющихся вдоль провода спирали, от геометрии спирали и частоты возбуждающего спираль напряжения.
Методам нахождения фазовой скорости волны тока, распространяющейся вдоль провода спирали, и установлению зависимостей этой скорости от геометрии спирали и частоты посвящено большое количество работ. Первая попытка решения этой задачи принадлежит Поклингтону, который еще в 1897 году, решив задачу об определении фазовой скорости электромагнитной волны, распространяющейся вдоль прямого провода и вдоль кольца, пытался рассмотреть вопрос о распространении электромагнитных волн вдоль спирали. Это удалось ему сделать для ряда частных случаев. Он показал, что при распространении электромагнитных волн вдоль спирали фазовая скорость этих волн может быть больше или равна скорости этих волн в свободном пространстве. Случай, когда фазовая скорость может быть меньше скорости распространения электромагнитных волн в свободном пространстве, им установлен не был. Ввиду отсутствия в то время применений спирали работа представляла чисто математический интерес.
Если не считать отдельных работ в этом направлении, связанных с распространением электромагнитных волн в катушках, интерес к вопросу о распространении электромагнитных волн в спирали снова возник в конце 40-х годов в связи с широким применением спиралей в качестве замедляющих структур, фидерных линий и в качестве антенн эллиптической поляризации.
Наиболее общий метод нахождения фазовых скоростей волн тока, распространяющихся вдоль регулярной бесконечной цилиндрической спирали, предложен в работе С.Х.Когана. Однако получение численных значений фазовых скоростей по формуле Когана и установление зависимостей фазовых скоростей от геометрии спирали и частоты требуют громоздкой расчётной работы. Поэтому естественны дальнейшие попытки со стороны других авторов или предложить новые, более простые методы расчёта фазовых скоростей волн тока, распространяющихся вдоль провода спирали, или же упростить расчетную часть метода С. X. Когана.
Упрощенный метод расчета фазовой скорости предложил Л.А. Вайнштейном. Метод основа на наложении граничных условий не на суммарное поле спирали, представляющее собой в общем случае бесконечную сумму гармоник, а на отдельные гармоники поля, причем граничные условия не учитывали периодичности структуры спирали. Аналогичный метод применялся ранее Ф.Олендорфом, Д. Н. Лошаковым и Е. Б. Ольдероге для симметричного типа колебаний, а также К.Шульманом и М.Хиги, Р.Филлипсом и Г.Малиным для несимметричных волн. Этот метод доведен до стройной приближенной теории спиральной линии передачи. Недостатком метода, обусловливающим его простоту, является неучет поля гармоник более низшего и всех высших типов при нахождении поля заданной гармоники. Этот недостаток приводит к не вполне точным численным значениям фазовой скорости, и для получения правильных качественных результатов к необходимости искусственного сшивания решений, полученных для различных типов волн.
Б.Я. Мойжесом при решении задачи для симметричной волны были применены усредненные граничные условия, учитывающие периодичность спирали, что привело к некоторой численной поправке в имеющихся результатах. Применение в последующем метода Б. Я. Мойжеса к расчёту фазовой скорости несимметричных волн, произведенное Н.Н.Смирновым также привело к некоторой поправке в результатах, полученных, методам анизотропно-проводящего цилиндра, хотя применение метода к указанным случаям нельзя считать вполне обоснованным, так как распределение поля вдоль спирали при несимметричных волнах не соответствует исходному, принятому Б.Я. Мойжесом при нахождении усредненных граничных условий.
Другой метод упрощения задачи вычисления фазовых скород вспирали предполагает строгую постановку задачи и решение ее в общем, виде до получения дисперсионного уравнения и последующее упрощения уравнения, используя физические предпосылки. Такими предпосылками является наличие в спирали так называемого «пространственного резонанса». Это явление заключается в том, что при некоторых условиях суммарное поле спирали в основном определяется одной из его гармоник (что собственно делает возможным применение к спирали и отмеченных выше методов). Выделение в дисперсионном уравнении членов, соответствующих резонируемым гармоникам, впервые было произведено Фаулсром, причем нерезонансные члены отбрасывались. Приближенное суммирование нерезонансных членов для спиралей с малыми углами намотки произведено Н.Н.Смирновым. При этом за основу бралось дисперсионное уравнение, полученное С.X. Коганом. Аналогичным методом уравнение С. X. Когана упрощено для спиралей с произвольным углом намотки в работе О.А.Юрцева Упрощение расчетной части метода С. X. Когана предложено также в работе А. Н. Казарина. Расчет фазовых скоростей волн тока, распространяющихся вдоль провода спирали, доведен в этой работе до простой расчетной формулы или простых графических операций, вполне приемлемых для инженеров-практиков. Результаты расчетов хорошо совпадают с экспериментальными данными, хотя некоторые соображения, положенные в основу упрощения, нельзя считать строго обоснованными.
Рассмотренный метод, предполагающий строгую постановку задачи в самом начале приводит к более точным качественным и количественным конечным результатам.
Другая математическая модель поля излучения, основана на представлении спиральной антенны в виде равномерной линейной решётки из п-излучателей, где в качестве излучателя принимается виток спирали. Фазо- выесоотношения в такой решётке определяются геометрией спирали (шагом или углом намотки и относительным радиусом витка спирали). Данная модель позволяет лишь качественно оценить направленные свойства спиральной антенны с существенным приближением и практически не отражает поляризационную структуру электромагнитного излучения антенны.
2.4 Моделирование антенн
Спиральные антенны относятся к классу антенн бегущей волны. Они представляют собой металлическую спираль, питаемую коаксиальной линией. Спиральные антенны формируют диаграмму направленности, состоящую из двух лепестков, расположенных вдоль оси спирали по разные стороны от нее. На практике обычно требуется одностороннее излучение, которое получают, помещая спираль перед экраном или в отражающей полости. Существуют цилиндрические, конические и плоские спиральные антенны. Вид спиральной антенны может быть выбран по заданному диапазону волн. Если ширина диапазона не превышает 50%, то берется цилиндрическая спираль, коническая спираль обеспечивает диапазон в два раза шире, чем цилиндрическая. Плоские спиральные антенны обладают двадцатикратным перекрытием по рабочему диапазону. В радиолюбительской практике, в диапазоне УКВ, наибольший интерес представляет собой цилиндрическая спиральная антенна с круговой поляризацией и большим коэффициентом усиления. Если мы принимаем сигнал с линейной поляризацией (вертикальной или горизонтальной) на антенну с круговой поляризацией, теряется три децибела, но при этом намного уменьшается глубина замираний. При переотражении сигнала на длинных трассах, мы не знаем с какой поляризацией (или с каким наклоном) приходит сигнал в точку приема, для антенны с круговой поляризацией это не будет иметь никакого значения. Вообще можно отметить, что изготовление в домашних условиях антенн с большим коэффициентом усиления, типа ”волновой канал”, сопряжено с рядом трудностей. Даже имея хороший парк приборов, трудно добиться расчетных значений. Необходимо строго выдерживать линейные размеры. При настройке обычно корректируют не более двух – трех элементов, расположенных рядом с активным вибратором. Расчет и настройка антенн типа “волновой канал” прост только для малого количества элементов. Параметры антенны могут значительно изменяться при небольшом изменении размеров элементов и их взаимного расположения. С ростом числа элементов, количество операций при настройке растет в геометрической прогрессии. Большое количество элементов сужает полосу пропускания антенны, уменьшает входное сопротивление. Увеличение реактивного сопротивления директоров по мере увеличения их числа приводит к уменьшению амплитуд токов в них. При этом особенно сильно уменьшаются токи в директорах, отстоящих далеко от активного вибратора. Поэтому сужение диаграммы направленности директорной антенны с увеличением ее длины происходит значительно медленнее, чем у антенны бегущей волны, элементы которой возбуждаются с одинаковой интенсивностью. По сравнению с директорными антеннами у спиральных антенн размеры являются менее критичными. Не критичность спиральных антенн к точности изготовления – большое их преимущество. При одном и том же усилении, спиральная антенна имеет меньшие размеры, чем антенна волновой канал. Так как полоса пропускания спиральной антенны, намного больше, чем любой любительский диапазон, нет необходимости даже измерять резонансную частоту антенны, достаточно измерить только входное сопротивление и рассчитать под него согласующее устройство, для оптимального согласования антенны с фидером питания.