СБОРНО-РАЗБОРНАЯ СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА Российский патент 1995 года по МПК H01Q11/08 

Изобретение относится к антенной технике дециметрового диапазона волн и может быть использовано в качестве телевизионной антенны спутниковой связи.

Известна складная антенна с высоким коэффициентом усиления, (патент США N 3737912, кл. Н 01 Q 1/08), содержащая спираль, стержень с поршнем на одном конце, фланец, цилиндр. Антенна помещается в цилиндр, имеющий стержень с поршнем на одном конце. К другому концу прикрепляется в сложенном нормальном положении проволочная спиральная антенна. Поршень в цилиндре перемещается с помощью газа. Перемещаясь, поршень выталкивает стержень и спиральная антенна, прикрепленная к стержню, растягивается. Для удержания спирали в вытянутом положении используется фиксатор.

Недостатки большая высота антенны в развернутом состоянии; необходимость использования сжатого воздуха или газа, нежесткая подвеска излучающего элемента спирали.

Известен также складной антенный отражатель (патент США N 4683475, кл. Н 01 Q 15/20), который содержит центральную опору, несколько упругих гибких радиальных конусообразных спиц.

Конусность каждой спицы выбирается так, чтобы в сложенном положении обеспечить необходимую кривизну отражателя. Спицы своими более тонкими концами прикреплены к центральной опоре для шарнирного перемещения между сложенным вдоль оси положением и развернутым радиальным положением. Отражатель содержит устройство для одновременной фиксации каждой спицы в развернутом положении. Радиальные спицы сжимаются соответствующим устройством для придания им необходимой кривизны в развернутом положении. Эластичный отражающий листовой материал растягивается спицами так, что совместно со сжатыми спицами образуется криволинейная отражающая поверхность антенны.

Недостатки большие габаритные размеры, необходимость большого числа связанных шарнирно укрепленных элементов, низкая надежность.

Известна автоматически складываемая пеленгаторная антенна для метровых волн (заявка ФРГ N 3325763, кл. Н 01 Q 1/00). Она содержит стояк, от которого в рабочем положении отходит в радиальном направлении и перпендикулярном по отношению к стояку несколько рычагов, несущих диполи. Пеленгаторная антенна отличается тем, что рычаги, несущие диполи, установлены на стояке антенны в кронштейне подшипника. Посредством приводного элемента, на который подается энергия, может производиться автоматическое складывание рычагов несущих диполей и диполей при помощи рычага и системы параллельных тяг и рычагов, действующих между кронштейном подшипника и диполями. Рычаги, несущие диполи и диполи в сложенном положении, располагаются параллельно стояку антенны.

Недостаток невозможность получения круговой поляризации и узкой диаграммы направленности в главных (Е и Н) плоскостях.

Известна также спиральная антенна, развертываемая за счет энергии растяжения (Патент США, N 4068238, кл. Н 01 Q 1/36). Oна содержит упругий гибкий антенный элемент в виде спирали. Антенный элемент развертывается вдоль оси в антенну заданной полной длины за счет энергии упругости. Антенный элемент состоит из электропроводной трубки относительно ровного поперечного сечения. Главная ось овального поперечного сечения в поперечной плоскости строго перпендикулярна продольной оси. Несколько гибких упругих элементов расположено аксиально на периферии спирали и прикреплено к виткам спирали антенного элемента. Упругие элементы обладают жесткостью. За счет этого ограничивается растяжение антенного элемента до рабочей длины. Упругие элементы обладают жесткостью. За счет этого ограничивается растяжение антенного элемента до рабочей длины. Упругие элементы приводятся в напряженное состояние антенным элементом и придают ему жесткость, которая ограничивает боковое прогибание относительно продольной оси.

Недостаток антенна не обеспечивает стабильной диаграммы направленности, так как длина ее не строго постоянна; антенна не устойчива к вибрациям и осевым нагрузкам; технологически сложная.

Известна портативная антенна (Патент США N 4475111, кл. Н 01 Q 1/36, 1/08), которая содержит плоскую электpопроводную первую часть с электропроводным базовым элементом и по крайней мере с одним электропроводным складным устройством, установленным на базовом элементе. Складное устройство содержит электропроводящий элемент, который может перемещаться в плоскости первой части между сложенным положением вблизи базового элемента и развернутым положением вдали базового элемента. Первая часть содержит устройство для подвижного прикрепления элемента, определяющего периметр, к базовому элементу.

Электропроводная вторая часть складывается по нормали к плоскости первой электропроводной части. Антенна содержит устройство для складной установки второй электропроводной части на первой части.

Недостаток отсутствие возможности отсоединения электропроводного элемента (излучателя) об базового элемента (отражателя); низкая стабильность электрических параметров из-за отсутствия достаточной жесткости в первой и второй частях антенны; низкая надежность.

Известна спиральная антенна по авт. св. СССР N 1483511, кл. Н 01 Q 31/08, 1986, содержащая электропроводную спираль, размещенную на диэлектрическом каркасе и подключенную к коаксиальному кабелю (фидеру) над металлическим отражателем (экраном). На диэлектрическом каркасе установлено разомкнутое проводящее кольцо, не имеющее гальванического контакта со свободным концом электропроводной спирали.

Недостатки антенны: невозможность съема (разъема) электропроводной спирали с металлического отражателя без разрушения; при составлении решетки из таких элементов путем простого их увеличения она становится неразборной; низкая стабильность электрических параметров при ремонте и замене излучающих элементов в решетке; низкая ремонтоспособность.

Цель изобретения повышение стабильности электрических характеристик спиральной антенны, улучшение согласования ремонтоспособности, уменьшение габаритных размеров при транспортировании.

Это достигается тем, что в спиральной антенне, содержащей металлический отражатель, на котором установлена электропроводная спираль, размещенная на диэлектрическом каркасе и подключенная к коаксальному кабелю, металлический отражатель выполнен плоским, каждый диэлектрический каркас выполнен цилиндрическим и снабжен металлическим основанием, на котором закреплен кооксиальный разъем, соединенный с кооксиальным кабелем; диэлектрические цилиндрические каркасы с электропроводными спиралями, плоский металлический отражатель и кооксиальные кабели выполнены с возможностью съема, а размеры плоского металлического отражателя диэлектрических цилиндрических каркасов, шаг электропроводной спирали и угол ее подъема выбраны из следующих соотношений:
А В (1,340-2,400) λ_ср,
D (0,263 0,400) λ_ср,
Н (1,20 2,0) λ_ср,
S (0,17 0,28) λ_ср,
α= (12 20^о), где А В размеры плоского металлического отражателя; D диаметр диэлектрического цилиндрического каркаса; Н высота диэлектрического цилиндрического каркаса; λ_ср средняя длина волны рабочего диапазона; α угол подъема электропроводной спирали; S шаг электропроводной спирали.

На фиг. 1 изображена сборно-разборная спиральная антенна, вид спереди (со стороны апертуры); на фиг. 2 то же, вид сбоку; на фиг. 3 диэлектрический цилиндрический каркас с металлическим основанием и электропроводной спиралью, установленный на плоском металлическом отражателе, разрез; на фиг. 4 сборно-разборная спиральная антенна со стороны кооксиальных кабелей; на фиг. 5 диаграммы направленности сборно-разборной спиральной антенны в двух главных плоскостях Е и Н.

Сборно-разборная антенна содержит диэлектрические цилиндрические каркасы 1 с электропроводными спиралями 2, диэлектрические стержни для крепления диэлектрических цилиндрических каркасов 3, кооксиальный разъем 4, металлические основания цилиндра 5, плоский металлический отражатель 6, диэлектрические пластины с вырезами 7, согласующий трансформатор 8, кооксиальные кабели 9-13, разъем 14.

Сборно-разборная антенна в рабочем положении работает следующим образом.

Электромагнитное поле поступающего сигнала наводит в витках электропроводных спиралей высокочастотный ток. Распределение тока на отдельном витке в режиме, близком к бегущей волне, эквивалентно распределению тока двух стоячих волн, сдвинутых по фазе одна относительно другой на 90^о. При этом виток излучает (или принимает) в направлении оси электропроводной спирали поле круговой поляризации. Геометрические размеры электропроводной спирали (длина витка, расстояние между витками, угол подъема спирали) выбраны так, что максимальное излучение отдельных витков складывается синфазно друг с другом в направлении продольной оси электропроводной спирали формируя ее диаграмму направленности. Расстояние между электропроводными спиралями выбрано таким, что излучаемая (или принимаемая) электромагнитная энергия отдельных электропроводных спиралей также складывается синфазно, образуя диаграмму направленности всей антенны. С электропроводных спиралей сигнал поступает на кооксиальный разъем 4, далее по кооксиальным кабелям 9-12 одинаковой длины следует на вход согласующего трансформатора 8, затем на общий коаксиальный кабель 13, который подключается к приемному усилительному устройству с помощью разъема 14.

Важной особенностью сборно-разборной антенны является возможность обеспечения постоянства ее электрических характеристик в рабочем положении. Электрические параметры входное сопротивление, согласование и другие во многом зависят от расположения коаксиального разъема 4. Изменение положения его относительно образующей электропроводной спирали или угла подъема спирали может повлиять на величину согласования. Исключить подобное явление стало возможным благодаря введению в каждый цилиндрический каркас 1 дополнительного (кроме металлического отражателя 6) металлического основания 5, на котором непосредственно расположен коаксиальный разъем 4 и начало витка электропроводной спирали. Это позволило обеспечить постоянство основных элементов узла относительно друг друга, получить надежный контакт металлического основания цилиндров с отражателем, а следовательно, коаксиального разъема 4 с "землей" и обеспечить стабильность электрических характеристик антенны в условиях эксплуатации.

Экспериментально на макете на средней частоте рабочего диапазона при числе витков каждой электропроводной спирали равном 7 получено: ширина диаграммы направленности в двух главных плоскостях (Е и Н) по уровню 3 дБ равна 22-26^о; коэффициент усиления КУ 18 дБ; согласование КСВН 1,50; коэффициент эллиптичности 0,8; уровень боковых лепестков ≅10 дБ.

Для разработки и упаковки антенны необходимо отсоединить питающие кабели от коаксиального разъема 4 и снять диэлектрические каркасы с металлического отражателя. Металлический отражатель 6 может быть выполнен как цельным, так и складным.

В транспортном положении диэлектрические цилиндрические каркасы размещаются между двумя плоскостями стенками металлического отражателя 6 и диэлектрическим элементом 7. Коаксиальные кабели укладываются в свободном пространстве между диэлектрическими каркасами. Крепление осуществляется гибкими элементами или металлическими скобами. В транспортном положении сборно-разборная спиральная антенна имеет значительно меньшие габариты по сравнению с рабочим положением, она удобна при транспортировании и может выдержать значительные нагрузки в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.

В предлагаемой конструкции антенны, кроме снижения габаритов в транспортном положении, обеспечена стабильность электрических параметров в условиях эксплуатации, а также улучшена ремонтоспособность, так как имеется возможность замены неисправных элементов без демонтажа всей антенны.

Использование: в антенной технике дециметрового диапазона волн, например, в качестве телевизионной антенны спутниковой связи. Сущность изобретения: спиральная антенна содержит плоский металлический отражатель 6 и ряд электропроводных спиралей 2, закрепленных на отражателе 6 посредством диэлектрических цилиндров с металлическими основаниями 5 и запитанных с помощью коаксиальных кабелей 9 13, на каждом металлическом основании 5 закреплено запитывающее устройство 4. Диэлектрические цилиндры с электропроводными спиралями 2, а также плоский металлический отражатель 6 и питающие кабели 9 13 выполнены съемными. Приведены соотношения для определения размеров диэлектрических цилиндров со спиралями 2, плоского металлического отражателя 6, а также расстояния между диэлектрическими цилиндрами 1. 5 ил.

СБОРНО-РАЗБОРНАЯ СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА, состоящая из металлического отражателя, на котором установлены электропроводные спирали, каждая из которых размещена на диэлектрическом каркасе и подключена к коаксиальному кабелю, отличающаяся тем, что металлический отражатель выполнен плоским, каждый диэлектрический каркас выполнен цилиндрическим и снабжен металлическим основанием, на котором закреплен коаксиальный разъем, соединенный с коаксиальным кабелем, диэлектрические цилиндрические каркасы с электропроводными спиралями, плоский металлический отражатель и коаксиальные кабели выполнены с возможностью съема, а размеры плоского металлического отражателя, диэлектрических цилиндрических каркасов, шаг электропроводной спирали и угол ее подъема выбраны из следующих соотношений:
A = B(1,340-2,400)λ_cp;
D = (0,263-0,400)λ_cp;
H = (1,20-2,0)λ_cp;
S = (0,17-0,28)λ_cp;
α = (12^°-20^°),
где A, B размеры плоского металлического отражателя;
D диаметр диэлектрического цилиндрического каркаса;
H высота диэлектрического цилиндрического каркаса;
λ_cp средняя длина волны рабочего диапазона;
S шаг электропроводной спирали;
α угол подъема электропроводной спирали.