СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА Российский патент 2012 года по МПК H01Q11/00 

Изобретение относится к области радиотехники, а точнее к области спиральных антенн с двумя ортогональными поляризациями, и может быть использовано в качестве приемопередающих антенн различных радиотехнических систем, например, на подвижных объектах.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является четырехзаходная спиральная антенна (Сверхширокополосные антенны. Под ред. Л.С.Бененсона, М.: Мир, 1964 г., стр.101, фиг.9), содержащая диэлектрический каркас, на который намотаны четыре захода спирали. По оси диэлектрического каркаса проложены четыре кабеля питания, которые со стороны первого основания диэлектрического каркаса подключены к заходам спирали. Со стороны второго основания диэлектрического каркаса кабели питания подключаются к фазовращателям. Для обеспечения осевого излучения с круговой поляризацией поля необходимо три фазовращателя. В качестве фазовращателя можно использовать, например, квадратный мост, полупроводниковый фазовращатель и т.д. Кабели питания с фазовращателями являются фидерной системой спиральной антенны. КПД фидерной системы вычисляют следующим образом (Антенно-фидерные системы. А.С.Лавров, Г.Б. Резников, М.: Сов. радио, 1974 г., стр.289):η_Σ=η_ф1·η_ф2·η_к, где η_Σ - суммарный КПД фидерной системы, η_ф1 и η_ф2 - КПД фазовращателей, η_к - КПД кабеля питания. В зависимости от выбранного типа, КПД одного фазовращателя составит от 84% до 94%. КПД кабеля питания зависит от марки применяемого кабеля и его длины, поэтому положим, что КПД кабеля питания не хуже 94%. Тогда суммарный КПД фидерной системы составит от 67% до 83%.

Недостатком указанного устройства является низкий КПД фидерной системы антенны.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в увеличении КПД фидерной системой спиральной антенны без изменения ее характеристик излучения.

Данный технический результат достигается тем, что в спиральной антенне, содержащей диэлектрический каркас, на который намотана четырехзаходная спираль, первый и второй заходы спирали выполнены из коаксиальных кабелей, третий и четвертый заходы спирали выполнены из проводников круглого сечения диаметром, равным диаметру коаксиальных кабелей, разница длин Δl_1.2 первого и второго заходов спирали выбрана из соотношения:

Δl_1,2=(2n-1)λ_ф/4,

где n=1, 2, 3, …,

λ_ф - длина волны в коаксиальном кабеле,

длины третьего и четвертого заходов спирали равны длинам первого и второго заходов соответственно, одно основание диэлектрического каркаса установлено на металлический экран, на котором закреплены первые концы проводников круглого сечения и высокочастотные коаксиальные соединители, через которые первые концы коаксиальных кабелей соединены с выходными плечами коаксиального тройника, при этом длины выходных плеч коаксиального тройника выбраны равными, со стороны другого основания диэлектрического каркаса центральные проводники вторых концов коаксиальных кабелей первого и второго заходов соединены соответственно со вторыми концами проводников круглого сечения третьего и четвертого заходов спирали.

Для формирования осевой диаграммы направленности с круговой поляризацией поля в коаксиальные кабели первого и второго заходов через высокочастотные коаксиальные соединители, соединенные с выходными плечами коаксиального тройника, подаются сигналы, равные по амплитуде. Так как центральные проводники коаксиальных кабелей соединяются с противоположными им проводниками круглого сечения, то сигналы, текущие по проводниками круглого сечения, находятся в противофазе с сигналами, текущими по внешним оплеткам коаксиальных кабелей. За счет разницы длин коаксиальных кабелей, равной Δl_1,2=(2n-1)λ_ф/4, сигналы в первом и третьем заходах отличаются по фазе на 90° от сигналов во втором и четвертом заходах. В результате в заходах спирали формируются сигналы с фазами 0°, 90°, 180° и 270°, необходимые для формирования осевой диаграммы направленности.

Коаксиальные кабели первого и второго заходов спирали, соединенные с выходными плечами коаксиального тройника, являются фидерной системой спиральной антенны. КПД фидерной системы вычисляют следующим образом: η_Σ=η_т·η_к, где η_Σ - суммарный КПД фидерной системы, η_т - КПД тройника, η_к - КПД коаксиального кабеля. КПД коаксиального тройника при полном согласовании его выходных плеч составит 94%. КПД коаксиального кабеля зависит от марки применяемого коаксиального кабеля и его длины. Длина коаксиального кабеля определяется углом намотки заходов и высотой спирали, марка применяемого кабеля определяется минимальным радиусом изгиба. Например, КПД коаксиального кабеля марки РК-50-4-21 длиной 2 метра в дециметровом диапазоне составит от 86% до 92%. Тогда суммарный КПД фидерной системы составит от 80% до 86%.

Таким образом, использование описанной выше конструкции позволяет увеличить КПД фидерной системой на 3-13%, обеспечивая при этом возможность формирования осевой диаграммы направленности с круговой поляризацией ноля.

На фиг.1 представлен вариант выполнения спиральной антенны.

На фиг.2 представлена диаграммообразующая схема, иллюстрирующая соединение заходов спиральной антенны, в режиме формирования осевой диаграммы направленности.

Спиральная антенна (фиг.1) содержит диэлектрический каркас 1, металлический экран 2, четырехзаходную спираль 3. Четырехзаходная спираль 3 содержит первый 4, второй 5, третий 6 и четвертый 7 заходы. Первый 4 и второй 5 заходы спирали выполняют из коаксиальных кабелей. Третий 6 и четвертый 7 заходы спирали выполняют из проводника круглого сечения, при этом диаметр проводника равен диаметру коаксиального кабеля. Диэлектрический каркас 1 состоит из ребер и прикреплен одним (широким) основанием к металлическому экрану 2. Со стороны широкого основания диэлектрического каркаса 1 первый 4 и второй 5 заходы спирали 3 через высокочастотные коаксиальные соединители 8 и 9 соединены с выходными плечами коаксиального тройника 10, третий 6 и четвертый 7 заходы крепятся к металлическому экрану 2 (на фиг.1 не показано). Высокочастотные соединители 8 и 9 крепятся к металлическому экрану 2. Со стороны другого (узкого) основания диэлектрического каркаса 1 центральные проводники коаксиальных кабелей первого 4 и второго 5 заходов четырехзаходной спирали 3 соединены с противоположными им проводниками круглого сечения третьего 6 и четвертого 7 заходов и образуют диаграммообразующую схему 11 соединения заходов четырехзаходной спирали 3 (фиг.2).

Спиральная антенна работает следующим образом.

Для формирования осевой диаграммы направленности, например, с правой круговой поляризацией поля, центральные проводники коаксиальных кабелей 4 и 5 соединяются с диаметрально противоположными им проводниками 6 и 7 по схеме, приведенной на фиг.2. В коаксиальные кабели 4 и 5 через высокочастотные коаксиальные соединители 8 и 9, соединенные с выходными плечами коаксиального тройника 10, подаются сигналы, равные по амплитуде. Так как центральные проводники коаксиальных кабелей 4 и 5 соединяются с диаметрально противоположными им проводниками круглого сечения 6 и 7 (фиг.2), то сигналы, текущие по проводникам 6 и 7, находятся в противофазе с сигналами, текущими по внешним оплеткам коаксиальных кабелей 4 и 5. За счет разницы длин коаксиальных кабелей 4 и 5, равной Δl₁₂=(2n-1)λ_ф/4, сигналы в заходах 5 и 7 отличаются по фазе на 90° от сигналов в заходах 4 и 6. В результате в заходах 4, 5, 6 и 7 спирали 3 формируются сигналы с фазами 0°, 90°, 180° и 270°, необходимые для формирования осевой диаграммы направленности с круговой поляризацией.

Коаксиальные кабели заходов 4 и 5 спирали, соединенные с выходными плечами коаксиального тройника 10, являются фидерной системой спиральной антенны. КПД фидерной системы вычисляют следующим образом: η_Σ=η_т·η_к, где η_Σ - суммарный КПД фидерной системы, η_т - КПД тройника, η_к - КПД коаксиального кабеля. КПД коаксиального тройника при полном согласовании его выходных плеч составит 94%. КПД коаксиального кабеля зависит от марки применяемого коаксиального кабеля и его длины. Длина коаксиального кабеля определяется углом намотки заходов и высотой спирали, марка применяемого кабеля определяется минимальным радиусом изгиба. Например, КПД коаксиального кабеля марки РК-50-4-21 длиной 2 метра в дециметровом диапазоне составит от 86% до 92%. Тогда суммарный КПД фидерной системы составит от 80% до 86%.

Таким образом, использование описанной выше конструкции позволяет увеличить КПД фидерной системой на 3-13%, обеспечивая при этом возможность формирования осевой диаграммы направленности с круговой поляризацией поля.

Был изготовлен лабораторный макет спиральной антенны, испытания которого подтвердили достижения заявленного технического результата.

Изобретение относится к области радиотехники, а точнее к области спиральных антенн с двумя ортогональными поляризациями, и может быть использовано в качестве приемопередающих антенн различных радиотехнических систем, например, на подвижных объектах. Технический результат заключается в увеличении КПД фидерной системой спиральной антенны без изменения ее характеристик излучения. Спиральная антенна содержит диэлектрический каркас, металлический экран, четырехзаходную спираль. Четырехзаходная спираль содержит первый, второй, третий и четвертый заходы. Первый и второй заходы спирали выполняют из коаксиальных кабелей. Третий и четвертый заходы спирали выполняют из проводника круглого сечения, при этом диаметр проводника равен диаметру коаксиального кабеля. Диэлектрический каркас состоит из ребер и прикреплен широким основанием к металлическому экрану. Со стороны широкого основания диэлектрического каркаса первый и второй заходы спирали через высокочастотные соединители соединены с выходными плечами коаксиального тройника, третий и четвертый заходы крепятся к металлическому экрану. Высокочастотные соединители крепятся к металлическому экрану. Со стороны узкого основания диэлектрического каркаса центральные проводники коаксиальных кабелей первого и второго заходов четырехзаходной спирали соединены с противоположными им проводниками круглого сечения третьего и четвертого заходов. 2 ил.

Спиральная антенна, содержащая диэлектрический каркас, на который намотана четырехзаходная спираль, первый и второй заходы спирали выполнены из коаксиальных кабелей, третий и четвертый заходы спирали выполнены из проводников круглого сечения диаметром, равным диаметру коаксиальных кабелей, разница длин Δ1_1,2 первого и второго заходов спирали выбрана из соотношения
Δl_1,2=(2n-1)λ_ф/4,
где n=1, 2, 3, …,
λ_ф - длина волны в коаксиальном кабеле,
длины третьего и четвертого заходов спирали равны длинам первого и второго заходов соответственно, одно основание диэлектрического каркаса установлено на металлический экран, на котором закреплены первые концы проводников круглого сечения и высокочастотные коаксиальные соединители, через которые первые концы коаксиальных кабелей соединены с выходными плечами коаксиального тройника, при этом длины выходных плеч коаксиального тройника выбраны равными, со стороны другого основания диэлектрического каркаса центральные проводники вторых концов коаксиальных кабелей первого и второго заходов соединены соответственно со вторыми концами проводников круглого сечения третьего и четвертого заходов спирали.