СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА Российский патент 1994 года по МПК H01Q11/08 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к антенной технике, и может быть использовано для совершенствования широкого класса антенных систем и радиотехнических устройств.

Известны спиральные антенны фиксированной конструкции (см., например, заявки Великобритании N 1390514, кл. Н 01 Q 21/06, 1975 и N 2021229, кл. Н 01 Q 19/00, 1980), Такие антенны имеют узкий диапазон рабочих частот при сохранении фиксированной диаграммы направленности и не обладают возможностью частотной перестройки.

Наиболее близким по своей технической сущности устройством - является спиральная антенна (см. авт. св. СССР N 1363348, кл. Н 01 Q 11/08, 1985), предназначенная для расширения диапазона рабочих частот при сохранении ширины диаграммы направленности, содержащая цилиндрический резонатор, в раскрыве которого закрепляется диэлектрическая подложка с размещенными на ней спиральными проводниками и с днищем, установленным на уровне проводящей поверхности, скрещенные пассивные вибраторы, выполненные в виде неподвижных звеньев и телескопически с ними соединенных подвижных звеньев, закрепленные посредством диэлектрической опоры над спиральными проводниками, радиальные проводящие стержни, выполненные в виде неподвижных звеньев и телескопически с ними соединенных подвижных звеньев, закрепленные на боковой стенке цилиндрического резонатора вблизи его раскрыва, корпус, содержащий исполнительное устройство, электродвигатель, вал которого вращает шестерню исполнительного устройства, радиопрозрачный стакан с возможностью осевого перемещения, гибкие связи, секторные накладки.

Частотную перестройку указанной спиральной антенны с целью расширения диапазона рабочих частот при сохранении заданной ширины диаграммы направленности производят реверсивным включением электродвигателя, вал которого вращает шестерню исполнительного механизма.

Однако в случае установки данной антенны на подвижном объекте, например обшивке летательного аппарата, возникает явление "ухода" длины рабочей (резонансной) волны, за счет чего снижается эффективность функционирования антенны и как следствие - эффективность радиосвязи в целом.

Известно, что при распространении волны в такой среде, как диэлектрике, происходит ее укорочение:
λ= , где λ - длина волны в диэлектрике (среде, в которой перемещается объект);
λ_о - длина волны в свободном пространстве (рабочая длина волны, на которую выставлены геометрические размеры элементов конструкции антенны - прототипа);
n = - коэффициент укорочения волны;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Известно, что среда является диэлектриком при
tg δ < 1, где tgδ = - тангенс угла потерь;
σ= - удельная проводимость среды;
ν - частота электронных столкновений;
N_э - электронная концентрация среды;
ω=2πf - круговая (циклическая) частота сигнала.

Например, любой из ионосферных слоев, указанных в таблице, для сигналов частотами от f₁ = 3^.10⁸ Гц (λ_о = =1 м) д о f₂ = =3^.10¹⁰ Гц (λ^o = 10^-2 м), является диэлектриком.

Слой Е электронной концентрацией N_э = 10⁴ эл/см³ и ν = 10⁵1/с, обладающий удельной проводимостью σ₁ = 1,587^.10^-17 см/м и ε₁ = (1 - 1,8 ^. 10^-11) ≈ 1 для сигнала частотой f₁, или σ₂ = 1,587^.10^-21 см/м и ε₂ = =(1 - 1,8^.10^-15) ≈ 1 для сигнала частотой f₂, имеет тангенс угла потерь tg δ₁ = 9,522^.10^-16 или tg δ₂ = 9,522^.10^-22 соответственно, т.е. является диэлектриком для сигналов с этими частотами.

Известна также резонансная зависимость входного сопротивления антенны от отношения ее геометрических размеров к рабочей длине волны.

Таким образом, антенна, расположенная на обшивке подвижного объекта, перемещающегося в диэлектрических средах (более того, с различной диэлектрической проницаемостью или ее анизотропией), геометрические размеры элементов конструкций которой настроены (подобраны) в соответствии с рабочей длиной волны для свободного пространства, не является оптимальной.

Цель изобретения - обеспечение возможности автоматической коррекции геометрических размеров антенны для сохранения оптимальной частотной настройки при перемещении объекта в диэлектрических средах.

Для этого в спиральную антенну, содержащую цилиндрический резонатор, в раскрыве которого закрепляется диэлектрическая подложка с размещенными на ней спиральными проводниками и с днищем, установленным на уровне проводящей поверхности, скрещенные пассивные вибраторы (ПВ), выполненные в виде неподвижных звеньев и телескопически с ними соединенных подвижных звеньев, закрепленные посредством диэлектрической опоры над спиральными проводниками радиальные проводящие стержни (РПС), выполненные в виде неподвижных звеньев и телескопически с ними соединенных подвижных звеньев, закрепленные на боковой стенке цилиндрического резонатора вблизи его раскрыва, корпус, содержащий исполнительное устройство, электродвигатель, вал которого вращает шестерню исполнительного устройства, радиопрозрачный стакан с возможностью осевого перемещения, гибкие связи, секторные накладки, дополнительно введены датчик диэлектрической проницаемости среды, согласующее устройство и устройство формирования управляющих напряжений, причем выход датчика диэлектрической проницаемости среды через последовательно подключенное согласующее устройство связан с входом устройства формирования управляющих напряжений, выходом подключенного к входу питания электродвигателя, а устройство формирования управляющих напряжений выполнено в виде последовательно соединенных триггера Шмидта, вход которого является выходом устройства формирования управляющих напряжений, и первой схемы совпадения, второй вход которой через дифференцирующую цепь также связан с входом устройства формирования управляющих напряжений, а выход подключен к первому входу сумматора, выход которого является выходом устройства формирования управляющих напряжений, а второй вход соединен с выходом второй схемы совпадения, первый вход которой через инвертор связан с выходом триггера Шмидта, а второй вход подключен к выходу дифференцирующей цепи.

Введение датчика диэлектрической проницаемости среды необходимо для осуществления контроля за диэлектрической проницаемостью среды, т.е. для получения информации об изменении диэлектрической проницаемости среды и о необходимости коррекции геометрических размеров спиральной антенны.

В качестве датчика диэлектрической проницаемости среды целесообразно использовать устройство для измерения диэлектрической проницаемости.

Введение согласующего устройства необходимо для обеспечения нормализации сигнала по амплитуде с выхода датчика диэлектрической проницаемости среды с целью обеспечения возможности его использования в цепи управления. Согласующее устройство представляет собой усилитель постоянного тока.

Введения устройства формирования управляющих напряжений необходимо для формирования импульсного напряжения, предназначено для управления оборотами электродвигателя, причем полярность этого напряжения зависит от изменения диэлектрической проницаемости среды в сторону нарастания (положительный импульс) или уменьшения (отрицательный импульс), т.е. формируется напряжение, стимулирующее вращение электродвигателя в первом случае в сторону уменьшения длины ПВ и РПС, во втором - в сторону ее увеличения, причем длительность импульсов соответствует интервалом времени изменения диэлектрической проницаемости среды относительно исходной. Устройство формирования управляющих напряжений включает в себя следующие элементы: триггера Шмидта, дифференцирующую цепь, инвертор, две схемы И, схему ИЛИ.

Введение триггера Шмидта необходимо для формирования импульсного напряжения, длительностью равного интервалу времени между моментами пересечения входным напряжением устройства формирования управляющих напряжений некоторого порогового уровня, соответствующего заданным начальным условиям эксплуатации.

Введение дифференцирующей цепи необходимо для формирования прямоугольных разнополярных импульсов, по длительности соответствующих времени нарастания (уменьшения) входного напряжения устройства формирования управляющих напряжений, в условиях от нулевого до максимального возможного значения.

Введение первой схемы совпадения (схемы И) необходимо для формирования положительных прямоугольных импульсов, по длительности соответствующих времени нарастания входного напряжения устройства формирования управляющих напряжений, от порогового до максимального значения.

Введение инвертора необходимо для формирования напряжения, по амплитуде и по длительности аналогичного выходному напряжению триггера Шмидта, но противоположного по фазе.

Введение второй схемы совпадения (схемы И) необходимо для формирования отрицательных прямоугольных импульсов, по длительности соответствующих времени уменьшения входного напряжения устройства формирования управляющих напряжений, от максимального до порогового значения.

Введение сумматора (схемы ИЛИ) необходимо для формирования результирующего напряжения, т.е. выходного напряжения устройства формирования управляющих напряжений, представляющего собой промежуточные разнополярные импульсы, амплитуда которых задается равной величине рабочего напряжения электродвигателя, а длительность соответствует интервалам времени увеличения или уменьшения диэлектрической проницаемости среды относительно исходного заданного уровня.

Устройство формирования управляющих напряжений содержит стандартные элементы цифровой и импульсной техники (триггер Шмидта, дифференцирующую цепь, две схемы И, схему ИЛИ).

Сущность изобретения заключается в разработке и создании спиральной антенны с возможность автоматической коррекции геометрических размеров антенны при перемещении объекта в диэлектрических средах за счет введения несложной в реализации цепи контроля и управления, состоящей из датчика диэлектрической проницаемости среды, согласующего устройства и устройства формирования управляющих напряжений, состоящего из триггера Шмидта, двух схем совпадения, инвертора, дифференцирующей цепи и сумматора.

Введение совокупности предложенных отличительных признаков и связей является существенным и позволит осуществлять коррекцию изменения рабочей длины волны спиральной антенны, вызванного изменением диэлектрической проницаемости среды, которая производится подстройкой геометрических размеров антенны.

Предложенное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия", так как обеспечение возможности автоматической коррекции геометрических размеров антенны при изменении диэлектрической проницаемости окружающего пространства не осуществлялось в известных устройствах.

На фиг.1 изображена спиральная антенна, общий вид.

Она имеет корпус 1, содержащий исполнительное устройство, закрепленный на тыльной стороне проводящей поверхности 2 радиопрозрачный стакан 3 с продольными окнами 4 на его боковой стенке 5, скрещенные пассивные вибраторы, каждый из которых выполнен в виде неподвижного звена 6 и телескопически с ним соединенного подвижного звена 7, соединенные с одним концом гибкой связи 8, огибающей секторную накладку 9. Скрещенные пассивные вибраторы закреплены на днище радиопрозрачного стакана 3, который установлен в корпусе 1 с возможностью осевого перемещения. На стенке цилиндрического резонатора вблизи его раскрыва закреплены радиальные проводящие стержни, каждый из которых выполнен в виде неподвижного звена 10 и телескопически соединенного с ним подвижного звена 11. Радиально проводящие стержни проходят сквозь продольные окна 4 на боковой стенке 5 радиопрозрачного стакана 3. Кабель 12 для питания спиральных проводников проложен через центральное отверстие в корпусе 1. От датчика 13 диэлектрической проницаемости среды, расположенного на проводящей поверхности 2 вблизи спиральной антенны, идет кабель 14 контроля к согласующему устройству. Через отверстие 15 проходит вал электродвигателя, снабженный ведущей шестерней исполнительного устройства, расположенного в корпусе 1.

На фиг. 2 изображена функциональная схема предлагаемого устройства.

Оно содержит датчик 16 диэлектрической проницаемости среды, согласующее устройство 17, устройство 18 формирования управляющих напряжений, электродвигатель 19, исполнительное устройство 20. Причем выход датчика 16 диэлектрической проницаемости среды соединен с входом согласующего устройства 17, выход которого соединен с входом устройства 18 формирования управляющих напряжений, выход которого подключен к клеммам питания электродвигателя 19, проводящего в движение исполнительное устройство 20.

На фиг.3 изображена функциональна схема устройства формирования управляющих напряжений.

Оно содержит триггер 21 Шмидта, первую схему 22 совпадения, инвертор 23, вторую схему 24 совпадения, дифференцирующую цепь 25, сумматор 26.

Причем входом устройства формирования управляющих напряжений является вход триггера 21 Шмидта, выход которого подключен к первому входу первой схемы 22 совпадения, второй вход которой через дифференцирующую цепь 25 также связан с входом устройства формирования управляющих напряжений, а выход подключен к первому входу сумматора 26, выход которого является выходом устройства формирования управляющих напряжений, а второй вход соединен с выходом второй схемы 24 совпадения, первый вход которой через инвертор 23 связан с выходом триггера 21 Шмидта, а второй вход подключен к выходу дифференцирующей цепи 25.

На фиг. 4 изображены эпюры напряжений, поясняющие работу устройства формирования управляющих напряжений:
а) возможное (обобщенное) напряжение на входе устройства 18 формирования управляющих напряжений (на выходе согласующего устройства 17);
б) напряжение на выходе триггера 21 Шмидта;
в) напряжение на выходе дифференцирующей цепи 25;
г) напряжение на выходе первой схемы 23 совпадения;
д) напряжение на выходе инвертора 23;
е) напряжение на выходе второй схемы 24 совпадения;
ж) напряжение на выходе устройства 18 формирования управляющих напряжений (на выходе сумматора 26).

Работает предложенная спиральная антенна следующим образом.

Изменяя длину ПА и РПС, можно изменить рабочую длину волны спиральной антенны, в частности при изменении диэлектрической проницаемости окружающей среды. Управление длиной ПВ и РПС осуществляется с помощью электродвигателя 19, который может быть при необходимости включен (выключен) подачей на него напряжения питания на промежуток времени, необходимый для выдвижения (задвижения) ПВ и РПС в заданных пределах.

Такая подстройка в предложенной антенне осуществляется следующим образом.

Датчик 16 электрической проницаемости среды регистрирует изменения диэлектрической проницаемости окружающего пространства, После нормализации по амплитуде его выходного сигнала в согласующем устройстве 17 "информация" об изменении диэлектрической проницаемости среды, заключенная в выходном сигнале согласующего устройства 17, поступает на вход устройства 18 формирования управляющих напряжений.

Принцип действия устройства 18 формирования управляющих напряжений заключается в следующем.

На вход устройства 18 формирования управляющих напряжений - вход триггера 21 Шмидта поступает сигнал с выхода согласующего устройства 17. Форма такого сигнала U_вх в общем виде показана на фиг.4,а. Участок нарастания сигнала соответствует увеличению диэлектрической проницаемости среды, горизонтальный участок соответствует постоянной диэлектрической проницаемости, неисходящий участок соответствует уменьшению диэлектрической проницаемости среды. Величина порогового напряжения U_пор, изображенного на фиг.4,а, соответствует заданным начальным условиям эксплуатации спиральной антенны, т.е. соответствие длины ПВ и РПС требуемой техническим условиям эксплуатации рабочей длине волны спиральной антенны.

Превышение сигналом на выходе согласующего устройства 17 величины U_пор. соответствует необходимости коррекции длины ПВ и РПС до исходной величины рабочей длины волны антенны.

Сигнал U_тш. , образующийся на выходе триггера 21 Шмидта (см.фиг.4,б), представляет собой прямоугольный импульс длительностью от момента превышения входным сигналом значения U_пор. до момента уменьшения его ниже уровня порогового напряжения.

Входной сигнал U_вх. с выхода согласующего устройства 17 (см.фиг.2) подается также на вход дифференцирующей цепи 25, на выходе которой формируются импульсы U_дц, по длительности соответствующие времени увеличения и времени уменьшения напряжения U_вх., причем импульсы разнополярны (см.фиг.4,в).

Сигнал U_тш (см.фиг.4,б) с выхода триггера 21 Шмидта поступает на первый вход схемы 22 совпадения, на которой вход которой поступает сигнал U_дц (см. фиг. 4,в) с выхода дифференцирующей цепи 25, таким образом, на выходе схемы 22 совпадения образуется сигнал U"и₁" (см.фиг.4, г), представляющий собой прямоугольный импульс, длительностью равный времени нарастания входного сигнала от величины U_пор до установившегося значения (соответствующего диэлектрической проницаемости среды, окружающей объект).

Сигнал U_тш (см.фиг.4,б) с выхода триггера 21 Шмидта подается также на вход инвертора 23, на выходе которого образуется сигнал U_инв(см.фиг.4,д), соответствующий выходному сигналу триггера 21 Шмидта, но противоположной направленности.

С выхода инвентора 23 сигнал U_инв (см.фиг.4,д) поступает на первый вход второй схемы 24 совпадения, на второй вход которой подается сигнал U_дц (см. фиг. 4,в) с выхода дифференцирующей цепи 25. На выходе второй схемы 24 совпадения образуется сигнал U"и₂" (см.фиг.4,е), представляющий собой прямоугольный импульс отрицательной полярности и длительность которого соответствует времени уменьшения входного сигнала устройства формирования управляющих напряжений от установившегося значения до U_пор.

Сигнал U"и₂" (см.фиг.4,е) с выхода второй схемы 24 совпадения подается на второй вход сумматора 26, на первый вход которого поступает сигнал U"и1" (см.фиг.4,г) с выхода первой схемы 22 совпадения.

Таким образом, на выходе сумматора 26, т.е. на выходе устройства 18 формирования управляющих напряжений, образуется сигнал U_вых, (см.фиг.4,ж), представляющий собой разнополярные прямоугольные импульсы, амплитуда которых задается равной величине рабочего напряжения U_раб.электродвигателя 19, а длительность их соответствует интервалом времени увеличения и уменьшения диэлектрической проницаемости среды от исходного заданного уровня.

В качестве электродвигателя 19 используется реверсивный электрический двигатель; таким образом, при поступлении на вход питания напряжения положительной полярности "+" U_раб, (первого импульса, см.фиг.4,ж) электродвигатель осуществляет вращение в сторону уменьшения длины пассивных вибраторов и радиальных проводящих стержней; в случае поступления на обмотки электродвигателя напряжения отрицательной полярности "-" U_раб, (второго импульса, см. фиг.4,ж), электродвигатель отрабатывает наращивание длины пассивных вибраторов и радиальных проводящих стержней, т.е. производится коррекция геометрических размеров антенны в зависимости от изменения диэлектрической проницаемости среды.

Изобретение позволяет сконструировать спиральную антенну с возможностью автоматической коррекции ее геометрических размеров при "уходе" длины рабочей волны, вызванном изменением диэлектрической проницаемости среды.

В результате обеспечения автоматической коррекции геометрических размеров антенны при "уходе" (укорочении) длины рабочей волны, в процессе перемещения объектов в средах с неоднозначными диэлектрическими проницаемостями возможно сохранение режима оптимального согласования с радиотехническими средствами и как следствие - повышения эффективности функционирования последних в сравнении с аналогичными объектами при использовании прототипа.

Использование: в антенной технике для совершенствования широкого класса антенных систем и радиотехнических устройств. Сущность изобретения: в антенну дополнительно введены датчик диэлектрической проницаемости среды, согласующее устройство и устройство формирования управляющих напряжений, причем устройство формирования управляющих напряжений состоит из триггера Шмидта, дифференцирующей цепи, инвертора, двух элементов И, элемента ИЛИ. Сущность изобретения заключается в разработке и создании спиральной антенны с возможностью автоматической коррекции геометрических размеров антенны при перемещении объекта в диэлектрических средах за счет введения несложной в реализации цепи контроля и управления. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА, содержащая цилиндрический резонатор, в раскрыве которого закрепляется диэлектрическая подложка с размещенными на ней спиральными проводниками и с днищем, установленным на уровне проводящей поверхности, скрещенные пассивные вибраторы, выполненные в виде неподвижных звеньев и телескопически с ними соединенных подвижных звеньев, закрепленные посредством диэлектрической опоры над спиральными проводниками, радиальные проводящие стержни, выполненные в виде неподвижных звеньев и телескопически с ними соединенных подвижных звеньев, закрепленные на боковой стенке цилиндрического резонатора вблизи его раскрыва, корпус, содержащий исполнительное устройство, электродвигатель, вал которого вращает шестерню исполнительного устройства, радиопрозрачный стакан с возможностью осевого перемещения, гибкие связи и секторные накладки, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения автоматической коррекции геометрических размеров антенны для сохранения оптимальной частотной настройки при перемещении объекта в диэлектрических средах, в нее введены датчик диэлектрической проницаемости среды, согласующее устройство и устройство формирования управляющих напряжений, причем выход датчика диэлектрической проницаемости среды через последовательно подключенное согласующее устройство связан с входом устройства формирования управляющих напряжений, выходом подключенного к входу питания электродвигателя. 2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что устройство формирования управляющих напряжений выполнено в виде последовательно соединенных триггера Шмидта, вход которого является входом устройства формирования управляющих напряжений, и первой схемы совпадения, второй вход которой через дифференцирующую цепь также связан с входом устройства формирования управляющих напряжений, а выход подключен к первому входу сумматора, выход которого является выходом устройства формирования управляющих напряжений, а второй вход соединен с выходом второй схемы совпадения, первый вход которой через инвертор связан с выходом триггера Шмидта, а второй вход подключен к выходу дифференцирующей цепи.