СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА Российский патент 1996 года по МПК H01Q11/08 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано, например, в системах космической навигации ГЛОНАСС и НАВСТАР.

Известна спиральная антенна, которая содержит излучатель в виде плоской двузаходной спирали, установленной в плоскости раскрыва резонатора и подключенной к питающему фидеру через согласующий элемент, выполненный в виде начального участка плоской двузаходной спирали [1]
В рабочем диапазоне частот антенна обеспечивает стабильность формы диаграммы направленности (ДН), величины коэффициента эллиптичности (К_э), а также уменьшение смещения от нормали главного лепестка ДН.

Недостатками этой антенны являются относительно узкий рабочий диапазон частот, недостаточно высокая стабильность поляризационных характеристик антенны в рабочем секторе углов.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является спиральная антенна, которая имеет однозаходную проволочную цилиндрическую спираль, размещенную на поверхности опорной ди-электрической трубы с изменяющимся по высоте диэлектрическим наполнением, экран, коаксиальный кабель, внешний проводник которого соединен с экраном [2]
Спиральная антенна имеет расширенный частотный диапазон и улучшенные поляризационные характеристики.

Однако несмотря на то, что излучение резонансного участка спирали происходит в режиме волны Т₁, предыдущая часть спирали, где диэлектрическое наполнение более плотно, играет роль канализирующей линии с принципиально присущими ей и конструкции антенны никак не подавляемыми волнами Т₂ и Т_-2, что обуславливает азимутальную неравномерность К_э. Кроме того, расширение рабочего диапазона этой спиральной антенны достигается за счет увеличения ее высоты, т. е. для своих габаритов она оказывается относительно слабонаправленной, поскольку ширина ее ДН определяется в основном, размерами отдельного резонансного витка, а не всей спирали. К тому же использование в антенне диэлектрической опорной трубы не позволяет использовать ее на борту космических объектов.

Целью изобретения является улучшение поляризационных характеристик антенны, расширение частотного диапазона и упрощение конструкции.

Это достигается тем, что в антенне, содержащей однозаходную цилиндрическую проволочную спираль, размещенную над экраном и запитываемую через коаксиальный кабель, внешний проводник которого соединен с экраном, однозаходная цилиндрическая проволочная спираль имеет только один виток, оканчивающийся лежащей в плоскости, параллельной плоскости экрана и удаленной от нее на расстоянии λ/4, согласованной нагрузкой в виде плоского незамкнутого проволочного витка того же радиуса, переходящего в согласующий шлейф, выполненный в виде также незамкнутого плоского проволочного полувитка меньшего радиуса, в котором за счет изменения направления навивки осуществляется противоположное по отношению к нагрузочному витку направление распространения тока.

Для улучшения согласования фидерного тракта с входом однозаходной цилиндрической проволочной спиральной антенны внутренний проводник коаксиального кабеля соединен с началом витка цилиндрической спирали через настроечное устройство, которое может быть выполнено, например, в виде отрезка проволоки, расположенного параллельно плоскости экрана, и металлической пластины, электрически связанной с плоскостью экрана и размещенной перпендикулярно этой плоскости, но параллельно отрезку проволоки. Настройка по входу антенны в данном случае осуществляется регулировкой реактивной связи между отрезком проволоки и металлической пластины путем подбора необходимого зазора между двумя элементами настроечного устройства.

Общими существенными признаками антенн являются однозаходная цилиндрическая проволочная спираль, размещенная над плоским экраном коаксиальный кабель, внешний проводник которого соединен с экраном.

Отличительные признаки обеспечивают достижение поставленной цели однозаходная цилиндрическая проволочная спираль имеет только один виток, оканчивающийся лежащей в плоскости, параллельной плоскости экрана и удаленной от нее на расстояние λ/4, согласованной нагрузкой в виде плоского незамкнутого проволочного витка того же радиуса, переходящего в согласующий шлейф, выполненный в виде также незамкнутого плоского проволочного полувитка меньшего радиуса, в котором за счет изменения направления навивки осуществляется противоположно по отношению к нагрузочному витку направление распространения тока. Вход однозаходной цилиндрической проволочной спирали соединен с внутренним проводником коаксиального кабеля через настроечное устройство, которое может быть выполнено, например, в виде расположенного параллельно плоскости экрана отрезка проволоки и регулировочной металлической пластины, электрически связанной с плоскостью экрана, размещенной перпендикулярно этой плоскости, но параллельно отрезку проволоки, с помощью которой за счет регулировки зазора между ней и отрезком проволоки осуществляется согласование фидерного тракта с входом антенны.

Диаметр витка D цилиндрической спирали выбирается из обычного для спиральных антенн условия равенства длины витка длине волны. С учетом того, что высота витка составляет ≈λ/4, его диаметр оказывается равным
D λ ≈ 0,31 λ. Это соответствует углу подъема спирали ≈14^о, что близко к оптимальному значению для угла подъема длинной цилиндрической спирали, работающей в режиме волны Т₁.

Изобретение поясняется чертежом.

Спиральная антенна содержит экран 1, первую диэлектрическую пластину 2, вторую диэлектрическую пластину 3, СВЧ-разъем 4, отрезок проволоки 5 на входе элемент настроечного устройства, металлическую пластину 6 элемент настроечного устройства, однозаходную цилиндрическую проволочную спираль 7, плоский виток проволоки 8, согласующий шлейф 9.

Спиральная антенна работает следующим образом.

Распространяющаяся по коаксиальному кабелю ТЕМ-волна через согласующее устройство (5, 6) поступает на вход однозаходной цилиндрической проволочной спирали 7 и возбуждает в ней поверхностную волну Т₁, обеспечивающую прямое осевое излучение спиральной антенны с К_э 1.

Согласующее устройство выполнено в виде отрезка проволоки 5, расположенного параллельно плоскости экрана 1 между внутренним проводником СВЧ-разъема 4 и входом однозаходной цилиндрической проволочной спиральной антенны 7, рядом с которым размещена настроечная СВЧ-емкость в виде металлической пластины 6, расположенной параллельно отрезку проволоки 5 и перпендикулярно плоскости экрана 1, с которым она связана электрически.

В одновитковой (т.е. электрически короткой) однозаходной цилиндрической спирали, кроме полезной волны Т₁, неизбежно возбуждаются и другие типы нормальных волн: волна обратного осевого излучения Т_-1, прямые в обратные гармоники высших типов Т_n и Т_-n, что приводит к нарушению в спирали режима бегущей волны тока, увеличивает отражение поля и тока от свободного конца спиральной антенны, ухудшает равномерноть антенных характеристик в различных азимутальных и угломестных направлениях.

Для подавления нежелательных гармоник в антенне и создания вдоль единственного витка цилиндрической спирали поверхностной волны с фазовой скоростью, близкой к скорости света, а в самой спирали режима бегущей волны тока, верхний конец одновитковой однозаходной цилиндрической спирали нагружен на незамкнутый плоский проволочный виток 8, плавно переходящий в согласующий шлейф 9. Расположенные на высоте λ/4 над плоскостью экрана 1 плоский незамкнутый проволочный виток 8, радиус которого совпадает с радиусом цилиндрической спирали 7, и согласующий нагрузочный шлейф 9 в виде лежащего в плоскости плоского витка 8 проволочного полувитка меньшего радиуса с противоположным по отношению к плоскому витку 8 направлением распространения тока вместе с экраном 1 образуют открытый резонатор для волны Т₁, обеспечивая при этом и хорошее согласование выхода спиральной антенны с нагрузкой.

Настройка резонатора осуществляется экспериментальным подбором геометрических параметров согласующего шлейфа 9, при которых поле в направлении оси спиральной антенны 7 оказывается практически круговым (величина К_э близка к единице), а коэффициент усиления максимальным.

Спиральная антенна обеспечивает улучшение поляризационных характеристик и расширение частотного диапазона при упрощении конструкции.

Использование: в антенной технике в системах космической навигации. Сущность изобретения: излучатель в виде одного витка однозаходной проволочной цилиндрической спирали снабжен нагрузкой, заканчивающейся согласующим шлейфом. Нагрузка выполнена в виде одного плоского проволочного витка, а согласующий шлейф - в виде плоского проволочного полувитка. Даны соотношения радиусов и приведено выполнение настроечного устройства. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Спиральная антенна, содержащая излучатель, выполненный в виде однозаходной цилиндрической проволочной спирали, размещенной над плоским экраном, и коаксиальный кабель, внешний проводник которого соединен с плоским экраном, отличающаяся тем, что излучатель снабжен нагрузкой, заканчивающейся согласующимся шлейфом, при этом излучатель выполнен в виде одного витка однозаходной проволочной цилиндрической спирали, нагрузка в виде одного плоского проволочного витка, удаленного от плоского экрана на расстояние λ/4 , а согласующий шлейф в виде плоского проволочного полувитка, причем радиусы витка излучателя и нагрузки равны и больше радиуса полувитка согласующего шлейфа, который намотан в противоположном им направлении и размещен в плоскости витка нагрузки, кроме того, излучатель соединен с внутренним проводником коаксиального кабеля через настроечное устройство, где λ длина волны. 2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что настроечное устройство выполнено в виде отрезка проволоки, расположенного параллельно плоскому экрану между внутренним проводником коаксиального кабеля и входом излучателя, и металлической пластины, электрически связанной с плоским экраном и установленной перпендикулярно к нему и параллельно отрезку проволоки с возможностью изменения зазора между ней и отрезком проволоки.