МАЛОГАБАРИТНАЯ ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА ОДНОНАПРАВЛЕННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ Российский патент 2011 года по МПК H01Q9/27 

Изобретение относится к антенной технике, в частности к спиральным антеннам различного назначения, например, используемым в наземных приемниках спутниковых систем связи.

Из предшествующего уровня техники известна коническая спиральная антенна с двойной круговой поляризацией, содержащая левую и правую проводящие спирали. При последовательном возбуждении этих спиралей излучается волна с левой или правой круговой поляризацией, см. патент Великобритании №2174249, М.кл. H01Q 9/27, 1986 г.

Недостатками этой антенны являются большие размеры, сравнимые с максимальной рабочей длиной волны, и резкое изменение поляризационных характеристик по рабочему сектору углов.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа заявленного изобретения, является плоская спиральная антенна. Она содержит размещаемые в одной плоскости со сдвигом 90° четыре идентичные проводящие однонаправленные спирали, объединенные по входным клеммам в группу и подсоединенные к двум коаксиальным кабелям. См. патент Великобритании №2207556, М.кл. H01Q 9/27, 1986 г.

Недостатками этой антенны являются двунаправленное излучение, а также большой диаметр, сравнимый с 1/3 максимальной рабочей длиной волны, и резкое изменение поляризационных характеристик по рабочему сектору углов.

Технической задачей, решаемой заявленным изобретением, является устранение указанных недостатков, а именно снижение габаритов антенны, снижение уровня излучения в нижнее полупространство и сохранение круговой поляризации по рабочему сектору углов.

Решение указанной задачи обеспечивается за счет размещения в одной плоскости импедансной двухзаходной электрической спирали и повернутой относительно нее на -90° импедансной двухзаходной магнитной спирали, которые подключены к общим входным клеммам.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показан общий вид предложенной антенны.

Предложенная плоская антенна состоит из импедансной двухзаходной электрической спирали 1 и импедансной двухзаходной магнитной спирали 2 с общими входными клеммами 3.

Принцип работы заявляемого устройства заключается в следующем. При распространении по спирали (электрической или магнитной) волны тока, коэффициент ее распространения - k составляет - где: λ - длина рабочей волны.

Если набег фазы на витке спирали диаметра D равен k×π×D=2×π, то виток спирали интенсивно излучает или поглощает энергию (D имеет диапазон значений - не более наружного D_max и не менее внутреннего D_min диаметра витка спирали). При прочих фазовых соотношениях энергетический обмен незначителен (см., например [3], стр.393).

Если спираль 1 выполнена в виде индуктивного импедансного проводника, то коэффициент распространения волны тока увеличивается, а резонансный диаметр витка уменьшается. Физика эффекта замедления скорости распространения волны тока по такому проводнику корректно рассмотрена в [4], стр.369. Простейший вид импедансного электрического проводника - цилиндрическая проводящая спираль с диаметром d и шагом h много меньше рабочей длины волны λ, при этом погонное индуктивное сопротивление регулируется изменением величины шага h.

Детальный анализ, выполненный автором, показывает, что, например, для тонкого импедансного электрического проводника коэффициент распространения тока по его поверхности k_e равен:

где:

Z - погонное индуктивное сопротивление проводника;

η - волновое сопротивление свободного пространства. Особенностью спиральной антенны, является то, что при увеличении коэффициента распространения, пропорционально снижается диаметр D ее рабочего витка спирали т.е. для тонкого импедансного электрического проводника справедливо выражение:

В дециметровом диапазоне длин волн технически просто реализуются условия

т.е. по сравнению с обычной плоской спиральной антенной диаметр рабочего витка уменьшается в 3 раза.

Выше рассмотрена двухзаходная плоская электрическая спираль 1, являющаяся частью предлагаемой антенны. Она имеет симметричные диаграммы направленности излучаемого поля как в верхней, так и в нижней полусферах. Предлагается дополнить импедансную электрическую двухзаходную спираль 1 импедансной магнитной двухзаходной спиралью 2 повернутой на -90° относительно спирали 1 (и в плоскости этой спирали). Простейший вид импедансного магнитного проводника (из которого изготавливается магнитная спираль) - соосная последовательность колец с диаметром d и шагом h много меньше рабочей длины волны λ, создающей магнитный момент (вопрос формирования которого детально рассмотрен в [5] стр.416). Погонное емкостное сопротивление указанной последовательности колец регулируется изменением величины их шага - h. Для коэффициента распространения тока по импедансной магнитной спирали k_m и для диаметра рабочего витка спирали D справедливы приведенные выше формулы, но с заменой погонного индуктивного сопротивления на погонное емкостное сопротивление.

В предлагаемой конструкции электрическая 1 и магнитная 2 импедансные спирали имеют одинаковы размеры, а также замедление (коэффициент распространения тока вдоль проводника), при этом между входным магнитным током магнитной спирали l_m и входным электрическим током электрической спирали l_э установлена пропорция I_m=η·I_э, т.е. предложен полный аналог элемента Гюйгенса (см., [3] стр.42-44, 297). Особенностью элемента Гюйгенса является то, что вне зависимости от вида поляризации он имеет диаграмму направленности по полю следующего вида:

,

где θ - угол, отсчитываемый от нормали к плоскости антенны.

Из этого выражения видно, что для любой поляризации при угле θ=180°, соответствующем нижней полусфере, излучение отсутствует. А для θ=0°, имеем максимальный уровень излучения - 1.

Таким образом, предложенная антенна имеет по сравнению с прототипом значительно меньшие размеры, стабильность поляризационных характеристик в рабочем секторе углов и отсутствие излучения в нижнюю полусферу.

ЛИТЕРАТУРА

1. Коническая спиральная антенна с двойной поляризацией. Патент Великобритании №2174249, М.кл. H01Q 9/27.

2. Спиральная антенна. Патент Великобритании №2207556, М.кл. H01Q 9/27.

3. Марков С.Д., Сазонов Д.М. Антенны. - М.: Энергия, 1975 г.

4. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. - М.: Наука, 1973 г.

5. Р.Кинг, Г.Смит. Антенны в материальных средах. Т.1. - М.: Мир, 1984 г.

6. Г.Т.Марков, А.Ф.Чаплин. Возбуждение электромагнитных волн. - М.: Энергия, 1967 г.

Изобретение относится к антенной технике, в частности к спиральным антеннам различного назначения. Антенна содержит спиральные проводники, которые выполнены в виде подсоединенных к общим входным клеммам импедансной двухзаходной электрической спирали и повернутой относительно нее на 90° импедансной двухзаходной магнитной спирали. При этом электрическая и магнитная спирали расположены в одной плоскости. Техническим результатом является уменьшение габаритов антенны, снижение уровня излучения, обеспечение однонаправленности излучения и стабильности поляризационных характеристик в рабочем секторе углов. 1 ил.

Малогабаритная широкополосная антенна однонаправленного излучения с круговой поляризацией, содержащая спиральные проводники, отличающаяся тем, что выполнена в виде подсоединенных к общим входным клеммам импедансной двухзаходной электрической спирали и повернутой относительно нее на 90° импедансной двухзаходной магнитной спирали, при этом электрическая и магнитная спирали расположены в одной плоскости.