Спиральные антенны может не так популярны, но всё же они существуют и успешно применяются. В некоторых случаях, просто незаменимы! На рис.1 как раз чертёж именно такой антенны. Спираль из обычной проволоки (ленты). С одной (правой) стороны конец спирали в свободном состоянии, а слева подключен к коаксиальному кабелю (центральной жиле). Оплётка кабеля подсоединена к металлическому (обычно диску) рефлектору-экрану. Он с одной стороны отражает что-нибудь, а с другой не даёт затекать токам на оплётку кабеля (своего рода, симметрирование). Так-как все витки спирали одного и того же диаметра, то такая антенна называется ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ спиральная.
Размеры спирали на рис.1, а развёртка витка рис.1а. L, — длина витка. S, — шаг витка. D, — диаметр витка. [a], — угол наклона витка относительно плоскости перпендикулярной оси антенны. Длина проекции витка на плоскость перпендикулярной оси антенны, — пиD. И наконец длина спирали, l = nS, где n, — число витков.
Как и в случае с ранее рассмотренных антенн, спиральная антенна зависима от геометрических размеров или с другой стороны, длин волн. Для рассуждений обычно применяют модель спиральной антенны в виде совокупности плоских рамок соединённых между собой электрическими диполями. Опустив долгие и нудные выводы мы на выходе имеем зависимость диаграммы направленности от длины волны рис.7. Рис.7а диаметр (длина витка) значительно мала по сравнению с длиной волны. Каждый виток рассматривается так же как и на рис.6. Каждую элементарную часть витка представляем как два противофазных излучателя. При таком раскладе ДН от таких излучателей будет ориентирована вдоль плоскости витка. А перпендикулярно (вдоль оси) отсутствовать. Тогда ДН будет иметь вид как на рис.7а. На практике не применяется.
При соотношении длины волны и диаметра витка как на рис.7b, максимум излучения наоборот направлен вдоль оси спирали. И это основное положение как раз и наиболее применимо. При соотношении как на рис.7с получается два максимума излучения. Как результат, получим конусообразное излучение в пространстве.
Так в чём же кайф использования спиральных антенн? В круговой, естественно вращающейся поляризации! До сих пор мы имели дело либо с горизонтальной, либо с вертикальной поляризацией. А, зачем козе баян?! Ну... как показала жизнь иногда и круговая оказывается нужна! А, что такое круговая? Это поле с вращающейся поляризацией. Можно считать (или наоборот), что круговая это частный случай эллиптической. В первом случае вектор электрической составляющей Е вращается и конец вектора описывает окружность радиусом Е. В случае с эллиптической радиус Е при вращении меняет не только угол поворота, но и длину описывая эллиптическую кривую. Причём поле левого вращения вектор Е вращается по часовой стрелке, а правое против часовой. Вот на рис.5 и есть то самое, круговое, правое вращение.
Посмотрите на рис.2 и рис.2с. Это попытка объяснить получение поля с вращающейся поляризацией. В отличие от случая на рис.6 здесь длина волны равна длине витка спирали. Стало быть в какой-то момент имеем картинку рис.2а, а на рис.2с это сплошная синусоида. Как на первом рисунке, так и на втором существуют точки опоры наших рассуждений (1, 2, 3, 4, 5). Пока нас интересуют точки (красного цвета. 1, 3, 5.) Здесь существуют области (синие окружности) где токи очень малы и ими можно пренебречь. Тогда наш виток можно представить как два изогнутых синфазных полуволновых вибратора. В момент t = 0 мы и видим наш виток рис.2а. Результирующее поле Е при этом имеет вид вертикальной поляризации.
Через четверть периода, так ещё в момент t = T/4 картина распределения тока переместится на четверть длины бегущей волны (такой режим в данном случае). График показан штриховой линией. В этом случае виток можно представить двумя горизонтально расположенными вибраторами рис.2b. Поле Е с горизонтальной поляризацией. Точка 1 последовательно (вместе со всеми точками) переместится в точку 5! Так ещё совершит один круг. А, мы будем иметь ту самую, круговую, вращающуюся, левую поляризацию.
Применяется такое вращение в случаях связи с движущимися объектами, меняющимися свои направления. И тогда вектор Е может быть ориентирован случайным образом! Это может происходить в случае с движущимися спутниками земли или МКС как спутником и? И в том числе и во время связи с объектами на Луне (наш луноход)! Связь должна быть устойчивой при любом положении: Земли, Луны и объекта. Кроме этого спиральные антенны имеют относительно большую широкополосность: 1:1,7. Недостаток, таких антенн, это слишком большая ширина ДН, не менее 25°, увы! Чтобы разрулить ситуацию на практике применяют не одну антенну, а решётку из двух-четырёх и более спиралей. Так на рис.8 чертёжик решётки из четырёх спиральных антенн! А, на рис.8а формула (кому шибко интересно?) ДН, где: f1(тэта), — ДН одиночной спирали. К, — волновое число (коэффициент фазы).
На рис.3 показан так называемый вариант антенны, рупор с помещённой внутрь спиралью. А на рис.3а ДН жёлтым цветом обычной спирали, а зелёным, спирали с коническим рупором! Почувствуйте разницу!
Как показала история одной цилиндрической спиралью люди не захотели обходиться?! И началось... Так появились конические и плоские спиральные антенны. Плоские существуют двух основных вида: Архимедова рис.10а и логарифмическая рис.10b. В свою очередь они бывают как однозаходные (одна спираль), так и двухзаходные (рис.9,11 и 12а) и более заходные. Если первые две просто чертежи, то на рис.12а фото антенны. Чего в них хорошего в этих плоских? Вообще-то кроме самой спирали существует экран с одной из сторон. Главное преимущество таких антенн это их широкополосность. Длина самого маленького витка соответствует самой короткой длине волны! А самого большого, самой длинной волне. Условие где-то в чём-то напоминает логопериодические антенны?! При этом широкополосность достигает двадцатикратной и более. Поляризация также как и у цилиндрической, — вращающаяся. ДН близкая по форме к сферической.
На рис.12 чертёжик конической спиральной антенны. Отличие от цилиндрической чётко просматривается разность в диаметрах концов спиралей. На рис.12 [а], — радиус витка. Длины рабочих волн соответствуют диаметрам витков. Реальная широкополосность достигает 2! На рис.11 Вы и видите плоскую, двухзаходную, логарифмическую спираль. А, коническая спираль в реальности это конус из диэлектрика и на него проецируется та самая плоская в виде металлической ленты или методами напыления или вытравливания. Вот на рис.12b объёмный чертёж такой вот конической двухзаходной, логарифмической антенны. Питание происходит через кабель в верхней части конуса. В общем виде ДН такой антенны близка к сферической. Антенна является слабонаправленной в сторону вершины конуса. На рис.4 коническая логарифмическая спиральная антенна нашего лунохода. Насколько я понимаю в сельском хозяйстве она используется только для приёма (команд и прочей ерунды). А вот вторая более направленная и очень комбинированная работает только на передачу. На Землю естественно! Но об этом в следующей мини-лекции!