БИСПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА Российский патент 1994 года по МПК H01Q11/08 

Изобретение относится к антенной технике, конкретно к биспиральным антеннам для фазового поворота плоскости поляризации, и может быть использовано в качестве безынерционных измерительных антенн для измерения характеристик излучателей, а также как элемент фазированной антенной решетки.

Целью изобретения является получение линейно-поляризованного излучения при фазовом повороте плоскости поляризации, а также повышение точности при антенных измерениях.

Для этого в биспиральной антенне, содержащей две цилиндрические спирали с противоположной намоткой, расположенные перпендикулярно металлическому экрану, расстояние между осями цилиндрических спиралей D, число витков N и угол намотки каждой спирали α, ее диаметр d связаны соотношениями: D ≥1,2λ ; α≥14^o; N ≥2
0-35 λ ≥d ≥ 0,25 λ, (1) где λ- длина волны, соответствующая рабочей частоте.

На фиг. 1 схематически изображена предлагаемая биспиральная антенна; на фиг. 2 приведены зависимости ориентации плоскости поляризации χ от фазы возбуждения Ψ для α = 6^о - штриховая, α = 14^о - сплошная при D = 0,7 λ (кривые 1)α = 6^о - штриховая, α= 14^о - сплошная при D = 1,2 λ (кривые 2).

На фиг. 3 показана зависимость коэффициента эллиптичности КЭ от фазы возбуждения при следующих параметрах антенн D = 0,7 λ; α= 6^o; N = 5; d = 0,32 λ (кривая 1), D = 0,7 λ; α = 14^o; N = 5; d = 0,32 λ (кривая 2), D = 1,2 λ; α= 6^o; N = 5; d = 0,32 λ (кривая 3), D = 1,2 λ; α = 14^o; N = 5; d = 0,32 λ (кривая 4).

На фиг. 4 приведены зависимости коэффициента бегущей волны КБВ от расстояния между осями спиралей при следующих значениях параметров α= 14^о; N = 5; d = 0,32λ , при сопротивлении питающего фидера 100 Ом (кривая 1), α= 6^о, N = 5; d = 0,32 λ при сопротивлении питающего фидера 100 ^оМ (кривая 2).

Соотношения (1) были получены при математическом моделировании и последующих лабораторных испытаниях биспиральных антенн.

Биспиральная антенна содержит металлический экран 1, цилиндрические спирали с правосторонней 2 и левосторонней 3 намотками, расположенные вдоль металлического экрана 1. Позициями 4 и 5 обозначены входные разъемы цилиндрических спиралей 2 и 3. Схема управления биспиральной антенной содержит управляемый фазовращатель (схема и фазовращатель на чертеже не показаны).

Биспиральная антенна работает следующим образом.

На вход антенны 4 подается сигнал длиной волны λ, равной длине витка спирали, а на вход 5 равный по амплитуде, но сдвинутый по фазе на величину Ψ сигнал. Вдоль проводников спиралей 2 и 3 устанавливаются бегущие волны токов, которые приводят к излучению полей круговой поляризации соответственно правого и левого направлений вращения при ориентации больших осей эллипсов соответственно 0 и Ψ. В дальней зоне поля правого и левого направления вращения складываются, в результате чего образуется поле линейной поляризации с большой осью эллипса ориентированной в направлении Ψ /2. Ориентация плоскости поляризации излучаемого поля определяется сдвигом фаз Ψ между источниками возбуждения на входах 4 и 5. Изменяем значения сдвига фаз на ΔΨ с помощью схемы управления. Это приводит к формированию в дальней зоне линейно-поляризационного сигнала с ориентацией большой оси эллипса на ( Ψ+ ΔΨ)/2. Таким образом, при подаче на антенну сигнала управления со сдвигом фаз от 0 до 2 π происходит поворот плоскости поляризации до 0 до π при сохранении значения коэффициента эллиптичности в пределах от 0 до 0,05, что свидетельствует о повороте плоскости поляризации линейно-поляризованного излучения. Задавая последовательные значения фаз управления, можно получить линейно-поляризованное излучение либо настроить антенну на прием излучения заданной ориентации плоскости поляризации, что повышает точность антенных измерений.

Выполнение диаметров спиралей d в пределах от 0,25 λ до 0,35 λ обеспечивает согласование входов спиралей с питающими фидерами, удовлетворительные значения коэффициента бегущей волны, коэффициентов усиления и эллиптичности. Изменение частоты, при которой диаметр цилиндрической спирали превосходит 0,35 λ, приводит к ухудшению КЭ до 0,4 коэффициента бегущей волны КБВ до 0,1, а изменение частоты, при которой диаметр цилиндрической спирали менее 0,25λ , приводит к ухудшению КЭ до 0,3, ухудшению КБВ до 0,01, уменьшает коэффициент усиления до 5% (см. фиг. 4).

Оптимальный угол намотки спирали при удовлетворительном КБВ должен быть не меньше 14^о. При этом расстояние D не менее 1,2. Из фиг. 2 следует, что зависимость положения плоскости поляризации от разности фаз возбуждения линейна для α = 6-14^о при расстоянии D ≥1,2 λ. Из фиг. 3 видно, что коэффициент эллиптичности не превосходит значения 0,05 при D ≥1,2 λ и 14^о. Таким образом, сигнал биспиральной антенны отличается от линейно-поляризованного сигнала при изменении положения плоскости поляризации от 0 до 180^о не более чем на 5% при D ≥1,2λ , α≥14^о.

При D < 1,2 λ и α < 14^о увеличивается степень взаимодействия между спиралями, нарушается режим излучения поля круговой поляризации (по сравнению с одиночной цилиндрической спиралью), в результате чего происходит асимметричное сложение полей, и в дальней зоне результирующее излучение отличается от линейного до 25% . Изменение в распределении токов на спиралях приводит к значительному изменению входных импедансов, что определяет плохое согласование входов спиралей с питающими фидерами.

Увеличение D более 1,5λ , угла намотки более 16^о, числа витков N более 5 может быть признано нецелесообразным в силу значительного возрастания массогабаритных параметров биспиральной антенны более 20-30% и незначительным до 1,2% улучшением характеристик излучения.

По сравнению с прототипом и другими техническими решениями предложенная биспиральная антенна имеет следующие преимущества: уменьшается коэффициент эллиптичности в 25-50 раз при повороте фазы от 0 до 180^о, уровень значения коэффициента эллиптичности достигает уровня линейно-поляризованного излучения. При использовании антенны в качестве передающей (приемной) при измерениях ориентации плоскости поляризации, поляризационных характеристик антенн благодаря возможности безынерционного облучения (приема) линейно-поляризованного сигнала при плавном или дискретном изменении фазы обеспечивается повышение точности и производительности измерений.

Использование: элемент фазированной решетки, датчик для измерения характеристик антены. Сущность изобретения: биспиральная антенна содержит две цилиндрические спирали с противоположным направлением намотки, расположенные перпендикулярно металлическому экрану. Расстояние между их осями, число витков, угол намотки и диаметры спиралей выбраны из предложенного соотношения. При подаче на антенну сигнала управления со сдвигом фаз от 0 до 2 π происходит поворот плоскости поляризации от 0 до p при сохранении коэффициента эллиптичности от 0 до 0,05, что свидетельствует о повороте плоскости поляризации линейно поляризованного излучения. 4 ил.

БИСПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА, содержащая две идентичные цилиндрические спирали, имеющие противоположную намотку на оси, установленные перпендикулярно к металлическому экрану, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения коэффициента эллиптичности и его стабилизации при фазовом повороте плоскости поляризации, расстояние между осями цилиндрических спиралей D, их число витков N, угол намотки α и диаметры d выбраны из соотношений
D ≥ 1,2 λ ; N ≥ 2;
α ≥ 14^o ; 0,35 λ ≥ d ≥ 0,25 λ,
где λ - рабочая длина волны.