АНТЕННА Российский патент 2001 года по МПК H01Q1/36 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в антенно-фидерных устройствах, преимущественно в малогабаритных сверхширокополосных антеннах.

Известна спиральная антенна, сформированная из проводников, расположенных в одной плоскости и выполненных в виде двухзаходной прямоугольной спирали, витки которой направлены встречно друг другу (1).

Спиральная антенна является относительно более широкополосной по сравнению с другими типами антенн: вибраторными, петлевыми, V-образными, ромбическими и т.д.

Ограничением этой антенны являются значительные габариты двухзаходной спирали при необходимости увеличения широкополосности, особенно возрастающие для обеспечения работы на низких частотах.

Известна также антенна, содержащая антенные элементы, расположенные в одной плоскости и подсоединенные оппозитно друг другу (2).

В этом техническом решении антенные элементы выполнены из пластин в виде равнобедренных треугольников, обращенных своими вершинами и их противоположные стороны расположены параллельно друг другу. Преимуществом антенны является ее построение на основе принципа самодополнительности, при котором металлическая часть по форме и по размерам соответствует и равна щелевой части, дополняющей ее в плоскости. Такая бесконечная структура обладает чисто активным и независимым от частоты входным сопротивлением, что позволяет улучшить ее согласование в широком диапазоне частот.

Ограничением устройства является уменьшение широкополосности по входному сопротивлению из-за конечности ее геометрических размеров.

Наиболее близким техническим решением является антенна, содержащая спиральную антенну, сформированную из проводников, расположенных в одной плоскости и выполненных в виде двухзаходной спирали, витки которой направлены встречно друг другу, два антенных элемента, расположенные в указанной плоскости и подсоединенные оппозитно друг другу к проводникам крайних витков двухзаходной спирали для каждого проводника одного и другого захода двухзаходной спирали соответственно (3).

Антенные элементы в этом устройстве представляют собой симметричный (или несимметричный) полуволновой вибратор, а плечи вибратора выполнены из двух штырей. Этим техническим решением удается несколько устранить недостатки известных устройств. Спиральная антенна функционирует в высокочастотной части диапазона, при этом граница диапазона, относительно нижних частот, определяется диаметром антенны и составляет порядка 0,5λ, где λ - рабочая длина волны. Начиная с этих частот, в работу включается полуволновый вибратор. Полуволновый вибратор может подключаться либо к внешним, либо к внутренним концам спиральной антенны.

Ограничениями ближайшего аналога являются следующие:
- значительные геометрические размеры, т.к. размеры спирали должны быть не менее 0,5λ, а размеры симметричного вибратора 0,5λ_max;
- незначительная широкополосность, поскольку полуволновый вибратор является узкополосным устройством, а в точках подключения плеч вибратора происходит изменение входного сопротивления от частоты, что оказывает существенное влияние на широкополосность системы;
- плохое качество согласования из-за гальванического соединения двух антенных систем с различными сопротивлениями.

Решаемая изобретением задача - повышение технико-эксплуатационных характеристик и расширение арсенала используемых технических средств.

Технический результат, который может быть получен при выполнении заявленной антенны, - увеличение широкополосности, улучшение коэффициента стоячей волны SWR, упрощение конструкции и уменьшение габаритов.

Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в известной антенне, содержащей спиральную антенну, сформированную из проводников, расположенных в одной плоскости и выполненных в виде двухзаходной спирали, витки которой направлены встречно друг другу, два антенных элемента, расположенные в указанной плоскости и подсоединенные оппозитно друг другу к концам проводников крайних витков двухзаходной спирали соответственно, согласно изобретению двухзаходная спираль выполнена прямоугольной, в виде отрезков линий с прямыми углами витков, каждый из антенных элементов выполнен в виде равнобочной трапеции и подсоединен к концу проводника в вершине меньшего основания равнобочной трапеции, а основания равнобочных трапеций расположены параллельно отрезкам линий двухзаходной спирали.

Возможны дополнительные варианты конструктивного выполнения антенны, в которых целесообразно, чтобы:
- отрезки линий двухзаходной спирали были выполнены прямолинейными;
- проводники были выполнены в виде двухзаходной квадратообразной спирали;
- расстояния между оппозитными вершинами больших оснований равнобочных трапеций антенных элементов были равны между собой, и были равны расстояния между всеми смежными вершинами больших оснований;
- величины зазоров между проводниками двухзаходной спирали и толщины проводников были выбраны равными между собой;
- длина L меньшего основания равнобочной трапеции была выполнена равной L = l + 2 δ, где
l - длина отрезка прямой линии витка двухзаходной спирали, обращенного к основанию равнобочной трапеции,
δ - величина зазора между витками двухзаходной спирали;
- антенный элемент был сформирован из сплошной пластины;
- антенный элемент был сформирован из зигзагообразной нити, выполненной проводящей, причем углы изгиба зигзагообразной нити выбраны соответствующими форме равнобочной трапеции, при этом части зигзага зигзагообразной нити выполнены совпадающими с боковыми сторонами равнобочной трапеции, а соединяющие их части зигзага зигзагообразной нити расположены параллельно основаниям равнобочной трапеции;
- величины зазоров между проводниками двухзаходной спирали были выбраны равными величинам зазоров между частями зигзагообразной нити, расположенными параллельно основаниям равнобочной трапеции;
- зигзагообразная нить антенных элементов вдоль своей продольной оси была выполнена меандрообразной;
- зигзагообразная нить антенных элементов вдоль своей продольной оси была выполнена в виде структуры с постоянным шагом, которая между постоянными шагами определяется псевдослучайной последовательностью чисел 0 и 1 с равной средней частотой появления этих чисел;
- каждый из проводников вдоль своей продольной оси был выполнен меандрообразным;
- каждый из проводников двухзаходной спирали был выполнен вдоль своей продольной оси в виде структуры с постоянным шагом, которая между постоянными шагами определяется псевдослучайной последовательностью чисел 0 и 1 с равной средней частотой появления этих чисел;
- проводники и антенные элементы были выполнены с высоким удельным сопротивлением.

За счет выполнения заявленной антенны в виде двухзаходной прямоугольной спирали и применения в ней антенных элементов, выполненных в виде равнобочной трапеции, удалось решить поставленную задачу. Это достигается тем, что обобщенная антенная система (АС) строится на основе принципа самодополнительности; ее элементом является двухзаходная прямоугольная спираль Архимеда; продолжения двухзаходной спирали выполнены в виде пластин с шириной, линейно возрастающей по мере удаления от центра спирали, либо в виде зигзагообразной проводящей нити, заполняющей площадь этих пластин. Дополнительный выигрыш в широкополосности АС достигается за счет выполнения всех проводников меандрообразными и из материала с высоким удельным сопротивлением.

Фиг. 1 изображает конфигурацию заявленной антенны - с антенными элементами в виде равнобочных трапеций из пластин.

Фиг. 2 - то же, что фиг. 1, - двухзаходную прямоугольную спираль Архимеда, продолжением которой является зигзагообразная нить с шириной, линейно возрастающей по мере удаления от центра спирали.

Фиг. 3 - то же, что фиг. 1, в которой все проводники и зигзагообразные нити антенных элементов выполнены меандрообразными.

Фиг. 4 - то же, что фиг. 1, в которой все проводники и зигзагообразные нити антенных элементов выполнены в виде меандрообразной непериодической структуры с постоянным шагом, периоды в которой определяются псевдослучайной последовательностью чисел 0 и 1 с равной средней частотой появления этих чисел.

Фиг. 5 - график коэффициента стоячей волны SWR, приведенного к волновому сопротивлению 75 Ом.

Малогабаритная сверхширокополосная антенна (фиг. 1) содержит спиральную антенну 1, сформированную из проводников, расположенных в одной плоскости и выполненных в виде двухзаходной спирали. Витки двухзаходной спирали направлены встречно друг другу. Проводники спиральной антенны 1 выполнены в виде отрезков линий с прямыми углами витков.

Два антенных элемента 2 расположены в плоскости двухзаходной спирали. Антенные элементы 2 подсоединены оппозитно друг другу к проводникам крайних витков двухзаходной спирали для каждого проводника одного и другого захода двухзаходной спирали, соответственно. Каждый из антенных элементов 2 выполнен в виде равнобочной трапеции и подсоединен к концу проводника в вершине меньшего основания равнобочной трапеции. Основания равнобочных трапеций расположены параллельно отрезкам линий двухзаходной спирали спиральной антенны 1. Отрезки линий двухзаходной спирали в частном случае могут быть выполнены прямолинейными. Упрощение конструкции и уменьшение ее габаритов достигается за счет выполнения устройства плоскостным, при котором все его отдельные элементы расположены в одной плоскости. Такое устройство легко реализовать конструктивно и технологически в микрополосковом исполнении. Широкополосность и улучшение коэффициента стоячей волны достигается за счет выполнения АС единой, в которой все элементы расположены в одной плоскости и удовлетворяют принципу самодополнительности.

Для полного удовлетворения критериям условий самодополнительности проводники спиральной антенны 1 (фиг. 1) могут быть выполнены в виде двухзаходной квадратной спирали с вершинами прямых углов каждого витка, расположенными в вершинах квадрата на одинаковых расстояниях по диагонали и по сторонам воображаемого квадрата с учетом разницы, возникающей из-за зазора между проводниками для их расположения в соответствии с формой спирали Архимеда.

Расстояния между оппозитными вершинами больших оснований равнобочных трапеций антенных элементов 2 также в этом исполнении могут быть выбраны равными между собой, как и выбраны равными расстояния между всеми смежными вершинами больших оснований. В этом варианте выполнения изобретения вершины больших оснований равнобочных трапеций антенных элементов 2 (фиг. 1) размещены в местах, соответствующих вершинам воображаемого квадрата, для построения всей антенной системы (АС) на основе принципа самодополнительности.

Величины зазоров между проводниками и толщина проводников двухзаходной спирали спиральной антенны 1 в варианте выполнения выбраны равными между собой.

Длина L меньшего основания равнобочной трапеции антенных элементов 2 выполнена равной L = l + 2 δ , где
l - длина отрезка прямой линии витка двухзаходной спирали, обращенного к основанию равнобочной трапеции,
δ - величина зазора между витками двухзаходной спирали.

В этом варианте выполнения вершины равнобочных трапеций расположены точно на диагонали воображаемого квадрата.

Антенный элемент 2 (фиг. 1) может быть выполнен непосредственно из проводящей пластины, что по сравнению с ближайшим аналогом позволяет повысить широкополосность, улучшить коэффициент стоячей волны SWR и уменьшить габариты устройства. Спиральная антенна 1 выполнена из витков с прямыми углами, а антенные элементы 2 объединены с ней, не являются отдельными элементами описанными, например, в (2), но в совокупности со спиральной антенной 1 удовлетворяют принципу самодополнительности.

Однако широкополосность может быть дополнительно повышена, если антенный элемент 2 (фиг. 2) сформирован из зигзагообразной нити 3, выполненной проводящей. Углы изгиба зигзагообразной нити 3 выбраны соответствующими форме равнобочной трапеции. Части зигзага зигзагообразной нити выполнены совпадающими с боковыми сторонами воображаемой равнобочной трапеции, а соединяющие их части зигзага зигзагообразной нити расположены параллельно основаниям воображаемой равнобочной трапеции. При этом зигзагообразная нить 3 (фиг. 2) визуально как бы заполняет всю площадь этих пластин (фиг. 1).

Для удовлетворения принципа самодополнительности величины зазоров между проводниками двухзаходной спирали (фиг. 2) выбраны равными величинам зазоров между частями зигзагообразной нити, расположенными параллельно основаниям равнобочной трапеции.

Широкополосность устройства в целом можно дополнительно повысить, если зигзагообразная нить 3 антенных элементов 2 вдоль своей продольной оси выполнена меандрообразной (фиг. 3). Для этого же каждый из проводников спиральной антенны 1 вдоль своей продольной оси выполнен меандрообразным. Форма проводника спиральной антенны 1 показана позицией 4 на фиг. 3 увеличенной.

Для подавления локальных резонансов, могущих приводить к увеличению КБВ и для дополнительного повышения широкополосности устройства в целом целесообразно, чтобы зигзагообразная нить 3 антенных элементов 2 вдоль своей продольной оси была выполнена в виде меандрообразной структуры с постоянным шагом, которая между постоянными шагами определяется псевдослучайной последовательностью чисел 0 и 1 с равной средней частотой появления этих чисел (фиг. 4). Точно также в виде меандрообразной структуры с постоянным шагом, которая между постоянными шагами определяется псевдослучайной последовательностью чисел 0 и 1 с равной средней частотой появления этих чисел может быть выполнен и каждый из проводников спиральной антенны 1. Форма проводника спиральной антенны 1 показана позицией 5 на фиг. 4 увеличенной, причем над фрагментом непериодической меандрообразной структуры надписана соответствующая ей часть псевдослучайной последовательности.

Проводники спиральной антенны 1 и антенные элементы 2 как при выполнении их в виде пластин, так и при выполнении их в виде зигзагообразной нити (фиг. 1-4) могут быть выполнены с высоким удельным сопротивлением. Например, для антенных элементов 2 из пластин с напылением на них резистивного слоя с плавно увеличивающейся величиной сопротивления в сторону основания равнобочной трапеции большей длины. А для проводников спиральной антенны 1 и для зигзагообразной нити 3 из резистивного провода с плавно изменяющимся сопротивлением от центра антенной системы (АС) к ее краям.

Работает малогабаритная сверхширокополосная антенна (фиг. 1-4) следующим образом.

На низких частотах спиральная антенна 1 (квадратообразная двухзаходная спираль Архимеда) функционирует как двухпроводная линия передачи, которая постепенно переходит в излучающую структуру - антенные элементы 2 в форме равнобочной трапеции. Антенные элементы 2 - это или проводящие пластины (фиг. 1), с шириной, линейно возрастающей по мере удаления от центра спирали, или зигзагообразная нить 3 (фиг. 2), заполняющая площадь равнобочных трапеций.

Выполнение (фиг. 3) проводников спиральной антенны 1 и зигзагообразной нити 3 меандрообразными (в форме позиции 4) позволяет создать скорость бегущей волны тока, равную приблизительно 0.4-0.5 от скорости волны тока вдоль гладкой структуры. Поэтому, несмотря на малые геометрические размеры антенной системы, λ_max/10, где λ_max - максимальная длина волны, ее относительная электрическая длина велика.

На нижних и средних частотах диапазона, диаграмма направленности такая же, как у широкополосного симметричного вибратора при SWR<4 (фиг. 5). На более высоких частотах, когда размеры квадратообразной спирали Архимеда становятся равными λ/7, где λ - рабочая длина волны, двухзаходная спираль является основной излучающей структурой. В области высоких частот диапазонные свойства антенной системы ограничены точностью выполнения условий возбуждения и изменением диаграммы направленности. Коэффициент стоячей волны SWR меняется в диапазоне частот от 1.5-3 (фиг. 6).

Устройство выполнено с использованием принципа самодополнительности, т. е. металлическая и щелевая части по форме и размерам абсолютно одинаковы, что позволяет обеспечить постоянство входного сопротивления R ≈ 100 Ом в широкой конечной полосе частот. Применение квадратообразной спирали Архимеда обусловлено меньшими в 4/π раз геометрическими размерами, по сравнению с круговой. Использование замедляющих структур и отсутствие гальванических соединений между элементами позволяет улучшить согласование устройства с питающей линией при его малых геометрических размерах. Возбуждающим устройством антенны может служить конический симметрирующий трансформатор, представляющий собой плавный переход от коаксиальной линии к двухпроводной.

Наиболее успешно заявленная антенна может быть промышленно применима в радиотехнической промышленности при создании антенно-фидерных устройств с улучшенными технико-эксплуатационными характеристиками.

Источники информации
1. Сверхширокополосные антенны, перевод с английского С.В. Попова и В.А. Журавлева, под ред. Л.С. Бененсона. М.: Мир, 1964, с.151 - 154.

2. А.З. Фрадин. Антенно-фидерные устройства, М.: Связь, 1977 г.

3. Патент США N 5257032, H 01 Q 1/36, опубл. 26.10.93.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в антенно-фидерных устройствах, преимущественно в антеннах значительной широкополосности с уменьшенными габаритами. Техническим результатом является повышение технико-эксплуатационных характеристик. Устройство имеет спиральную антенну, сформированную из проводников, расположенных в одной плоскости и выполненных в виде двухзаходной спирали, два антенных элемента, расположенные в указанной плоскости и подсоединенные оппозитно друг другу к проводникам крайних двухзаходной спирали. Двухзаходная спираль выполнена прямоугольной, в виде отрезков линий с прямыми углами витков. Каждый из антенных элементов выполнен в виде равнобочной трапеции и подсоединен к концу проводника в вершине меньшего основания равнобочной трапеции. Основания равнобочных трапеций расположены параллельно отрезкам линий двухзаходной спирали. 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Антенна, содержащая спиральную антенну, сформированную из проводников, расположенных в одной плоскости и выполненных в виде двухзаходной спирали, витки которой направлены встречно друг другу, два антенных элемента, расположенные в указанной плоскости и подсоединенные оппозитно друг другу к концам проводников крайних витков двухзаходной спирали соответственно, отличающаяся тем, что двухзаходная спираль выполнена прямоугольной, в виде отрезков линий с прямыми углами витков, каждый из антенных элементов выполнен в виде равнобочной трапеции и подсоединен к концу проводника в вершине меньшего основания равнобочной трапеции, а основания равнобочных трапеций расположены параллельно отрезкам линий двухзаходной спирали. 2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что отрезки линий двухзаходной спирали выполнены прямолинейными. 3. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что проводники выполнены в виде двухзаходной квадратообразной спирали. 4. Антенна по п.3, отличающаяся тем, что расстояния между оппозитными вершинами больших оснований равнобочных трапеций антенных элементов равны между собой, и равны расстоянию между всеми смежными вершинами больших оснований. 5. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что величины зазоров между проводниками двухзаходной спирали и толщина проводников выбраны равными между собой. 6. Антенна по п.5, отличающаяся тем, что длина L меньшего основания равнобочной трапеции выполнена равной
L = l + 2δ,
где l - длина отрезка прямой линии витка двухзаходной спирали, обращенного к основанию равнобочной трапеции;
δ - величина зазора между витками двухзаходной спирали. 7. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что антенный элемент сформирован из сплошной пластины. 8. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что антенный элемент сформирован из зигзагообразной нити, причем углы изгиба зигзагообразной нити выбраны соответствующими форме равнобочной трапеции, при этом части зигзага зигзагообразной нити выполнены совпадающими с боковыми сторонами равнобочной трапеции, а соединяющие их части зигзага зигзагообразной нити расположены параллельно основаниям равнобочной трапеции. 9. Антенна по п.8, отличающаяся тем, что величины зазоров между проводниками двухзаходной спирали выбраны равными величинам зазоров между частями зигзагообразной нити, расположенными параллельно основаниям равнобочной трапеции. 10. Антенна по п.8, отличающаяся тем, что зигзагообразная нить антенных элементов вдоль своей продольной оси выполнена меандрообразной. 11. Антенна по п.9, отличающаяся тем, что зигзагообразная нить антенных элементов вдоль своей продольной оси выполнена в виде структуры с постоянным шагом, которая между постоянными шагами определяется псевдослучайной последовательностью чисел 0 и 1 с равной средней частотой появления этих чисел. 12. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что каждый из проводников вдоль своей продольной оси выполнен меандрообразным. 13. Антенна по п.12, отличающаяся тем, что каждый из проводников двухзаходной спирали выполнен вдоль своей продольной оси в виде структуры с постоянным шагом, которая между постоянными шагами определяется псевдослучайной последовательностью чисел 0 и 1 с равной средней частотой появления этих чисел. 14. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что проводники и антенные элементы выполнены с высоким удельным сопротивлением.