СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СПИРАЛЬНОЙ АНТЕННЫ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2013 года по МПК H01Q1/36 

Изобретение относится к антенной технике. Преимущественная область применения спиральных антенн в качестве широкодиапазонных антенн бортовой радиоаппаратуры.

Известен способ изготовления спиралей плоских спиральных антенн, который состоит в том, что спиральную форму, по которым протекает волна излучающего тока, изготавливают путем вырезания спиральной ленты требуемой формы из тонкого металлического листа ножницами или штамповкой (Лавров А.С., Резников Г.Б. Антенно-фидерные устройства. - М., Сов. Радио, 1974, см. стр.175).

При изготовлении спиральной антенны таким способом плоскости витков спиральной антенны расположены перпендикулярно электрической оси антенны. В этом случае, при заданном рабочем диапазоне частот, уменьшить диаметр апертуры антенны можно за счет увеличения числа витков ее проводников, и уменьшения их ширины. Уменьшение ширины проводников ведет к уменьшению их индуктивности и увеличению омических потерь за счет увеличения потерь в скин-слое проводников, а следовательно, к уменьшению коэффициента усиления антенны.

В этом случае при проектировании антенн возникает техническое противоречие: улучшение одной технической характеристики (необходимое уменьшение диаметра апертуры антенны бортовой радиоаппаратуры) ведет к ухудшению другой технической характеристики (к уменьшению коэффициента усиления антенны этой аппаратуры). Это техническое противоречие является недостатком аналога, не позволяющим уменьшить диаметр апертуры антенны при заданном рабочем диапазоне частот.

Общим признаком изобретения и аналога является изготовление проводников антенны в виде многозаходной спирали и гальваническое соединение внутренних концов ветвей спиральных проводников антенны с концами фидера.

Наиболее близким аналогом - прототипом заявляемого способа является печатный способ изготовления спиральных проводников плоских спиральных антенн на плоских жестких диэлектрических подложках (Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: Учебник для радиотехнических специальностей вузов. - М.: Высшая школа, 1988, см. стр.266), который состоит в изготовлении спиральных проводников многозаходной арифметической спиральной антенны путем вытравливания профиля проводников из листа металлической проводящей фольги, предварительно наклеенной на твердую диэлектрическую подложку. Размеры подложки и слоя фольги соответствуют габаритам антенны. Причем поверхность фольги, соответствующая профилю проводников, предварительно защищается от воздействия травящего состава стойким покрытием. Затем начальные участки ветвей спиралей в центре антенны гальванически соединяются с фидером.

Прототипу присущи недостатки аналога.

Общими признаками прототипа и изобретения являются закрепление проводника из металлической фольги на диэлектрическую подложку и гальваническое соединение с фидером начальных участков ветвей спиралей в центре антенны.

Предлагаемый способ изготовления спиральных антенн разрешает техническое противоречие за счет того, что плоскости проводников антенны размещаются параллельно электрической оси антенны, поэтому при увеличении длины проводников спирали антенны при уменьшении диаметра ее апертуры при заданном рабочем диапазоне частот, за счет увеличения числа ее витков, не требуется уменьшать их ширину, поэтому омическое сопротивление антенны не увеличивается, омические потери не возрастают.

Техническим результатом изобретения, при заданном рабочем диапазоне частот, является уменьшение диаметра апертуры антенны и увеличение ее коэффициента усиления, что обеспечивается расположением боковых поверхностей плоских металлических проводников спиральной антенны параллельно электрической оси антенны.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена плоская диэлектрическая подложка прямоугольной формы с закрепленным на ней ленточным проводником по первому варианту исполнения изобретения.

На фиг.2 представлена плоская диэлектрическая подложка прямоугольной формы с закрепленным на ней ленточным проводником по второму варианту исполнения изобретения.

На фиг.3 представлен вид на апертуру плоской спиральной антенны, изготовленной заявляемым способом по первому и второму варианту исполнения изобретения.

На фиг.4 представлен график зависимости от рабочей длины волны антенн, отношение коэффициента усиления антенны, изготовленной по способу-прототипу, к коэффициенту усиления антенны, изготовленной по изобретению. На графике по оси абсцисс отложена рабочая длина волны антенн в миллиметрах, а по оси ординат - относительный коэффициент усиления антенн.

На фигурах введены обозначения.

1 - проводник спирали антенны;

2 - диэлектрическая подложка;

3 - вывод проводника, изготовленный заодно с проводником.

Первый вариант исполнения изобретения.

Способ изготовления плоской спиральной антенны по первому варианту изобретения состоит в следующем.

По числу заходов спирали антенны изготавливают ленточные проводники спирали антенны, например, из латунной фольги (фиг.1). Длину проводника L спирали рассчитывают по известной формуле (1):

где b - начальный радиус спирали, причем b≤λ_мin/2π ДН

(ДН - диаграмма направленности антенны).

N - число витков спирали, w - толщина проводника спирали, М - отношение произведения суммы толщины подложки, на которую будет нанесен проводник, и толщины проводника на число заходов спирали к толщине проводника).

N - определяется из соотношения (2):

где D_мах - максимальный диаметр спиральной антенны, зависит от максимальной рабочей длины волны λ_мах и определяется из неравенства D_мах≥λ_мах/π.

Ширина ленточного проводника больше глубины проникновения электромагнитной волны за апертуру антенны и не зависит от его длины.

По числу проводников спирали изготавливают плоские ленточные гибкие диэлектрические подложки (фиг.1), толщина которых зависит от диаметра апертуры антенны, требуемого числа витков проводника и числа заходов спирали и определяется по формуле (3):

где d - толщина подложки, Z - число заходов спирали.

Ширина подложки должна быть больше ширины h прямолинейного проводника, причем h<<λ_мin, где λ_мin - минимальная рабочая длина волны.

Подложки изготавливают из гибких листов диэлектрического материала, например полиэтилена, фторопласта с малым тангенсом угла потерь (tg'<0,01, где ε' - действительная часть относительной комплексной диэлектрической проницаемости материала листов) нарезают ленточные полоски, ширина которых равна или более ширины проводников антенны, а длина равна длине проводников.

После чего на каждую диэлектрическую подложку наклеивают или другим способом жестко закрепляют ленточные металлические полоски - проводники.

Подложки с прикрепленными проводниками собирают в пакет путем накладывания их одна на другую разными сторонами: подложка с проводником - подложка без проводника, и так, чтобы проводники были напротив друг друга. Жестко скрепляют один конец плоского пакета, содержащий выводы проводников, например, склеиванием или тонким хомутом из диэлектрика. Скрепленный конец пакета подложек накладывают на жесткий цилиндрический предмет, диаметр которого равен двум начальным радиусам спирали антенны, а длина больше ширины подложек, после чего накручивают пакет из подложек и проводников на цилиндрический предмет, например вручную. Подложки с проводниками принимают форму круговых спиралей. Жестко фиксируют изготовленный цилиндрический пакет, например механически, путем помещения в жесткую цилиндрическую обойму (корпус). Из готового жесткого цилиндрического пакета вынимают цилиндрический предмет.

Внутренние концы спиральных проводников гальванически, например путем пайки, соединяют с соответствующими проводниками фидера или согласующего трансформатора (3) (фиг.3).

После этой операции плоская спиральная антенна готова к ее использованию.

Отличительные признаки изобретения по первому варианту.

Изготавливают плоские ленточные проводники спирали антенны по числу заходов спирали, длину которых определяют по формуле (1):

где b - начальный радиус спирали, причем b≤λ_мin/2π;

N - число витков спирали, w - толщина проводника спирали;

М - отношение произведения суммы толщины подложки и толщины проводника на число заходов спирали к толщине проводника. Ширина ленточных проводников больше глубины проникновения электромагнитной волны за апертуру антенны.

Изготавливают плоские ленточные подложки из гибкого диэлектрического материала с малым тангенсом угла потерь по числу подводников, толщина которых рассчитывается по формуле (3):

где d - толщина подложки, Z - число заходов спирали.

Ширина подложки больше ширины h прямолинейного проводника, причем h<<λ_мin, где λ_мin - минимальная рабочая длина волны рабочего диапазона частот антенны.

На поверхности каждой диэлектрической подложки жестко закрепляют ленточные проводники.

Подложки с прикрепленными проводниками собирают в пакет путем накладывания их одна на другую разными сторонами: подложки с проводником - подложка без проводника, и так чтобы проводники были напротив друг друга.

Жестко скрепляют один конец плоского пакета, скрепленный конец пакета подложек накладывают на боковую поверхность твердого цилиндрического предмета, диаметр которого равен двум начальным радиусам спирали, а длина больше ширины подложек, накручивают на этот предмет пакет из подложек и проводников.

Жестко фиксируют изготовленный цилиндрический пакет подложек с проводниками, из жесткого цилиндрического пакета подложек вынимают цилиндрический предмет, после чего внутренние концы спиральных проводников соединяют гальванически с соответствующими проводниками фидера или согласующего трансформатора.

Второй вариант исполнения изобретения.

Способ изготовления плоской спиральной антенны по второму варианту исполнения изобретения.

По числу заходов спирали антенны изготавливают зигзагообразные ленточные проводники спирали антенны, например, в форме меандра из латунной фольги (фиг.2). Длину выпрямленного проводника L спирали рассчитывают по известной формуле (1):

где b - начальный радиус спирали, причем b≤λ_мin/2π;

N - число витков спирали из спрямленных проводников, w - толщина проводника спирали;

М - отношение произведения суммы толщины подложки и толщины проводника на число заходов спирали к толщине проводника;

N - определяется из соотношения (2):

где D_мах - максимальный диаметр спиральной антенны, зависит от максимальной рабочей длины волны λ_мах и определяется из неравенства D_мах≥λ_мах/π.

Ширина ленточного проводника больше глубины проникновения электромагнитной волны за апертуру антенны и не зависит от его длины.

По числу проводников спирали изготавливают плоские ленточные гибкие диэлектрические подложки (фиг.2), толщина которых зависит от диаметра апертуры антенны, требуемого числа витков проводника и числа заходов спирали и определяется по формуле (3)

где d - толщина подложки, Z - число заходов спирали.

Ширина подложки должна быть больше ширины h габаритной ширины зигзагообразного проводника, причем h<<λ_мin, где λ_мin - минимальная рабочая длина волны.

Подложки изготавливают из гибких листов диэлектрического материала, например полиэтилена, фторопласта с малым тангенсом угла потерь (tg'<0,01, где ε' - действительная часть относительной комплексной диэлектрической проницаемости материала листов) нарезают ленточные полоски, ширина которых равна или более габаритной ширины зигзагообразных проводников антенны, а длина равна габаритной длине зигзагообразных проводников.

После чего на каждую диэлектрическую подложку наклеивают или другим способом жестко закрепляют зигзагообразные ленточные проводники.

Подложки с прикрепленными проводниками собирают в пакет путем накладывания их одна на другую разными сторонами: подложка с проводником - подложка без проводника, и так, чтобы проводники были напротив друг друга. Жестко скрепляют один конец плоского пакета, содержащий выводы проводников, например, склеиванием или тонким хомутом из диэлектрика. Скрепленный конец пакета подложек накладывают на жесткий цилиндрический предмет, диаметр которого равен двум начальным радиусам спирали антенны, а длина больше ширины подложек, после чего накручивают пакет из подложек и проводников на цилиндрический предмет, например вручную. Подложки с проводниками принимают форму круговых спиралей. Жестко фиксируют изготовленный цилиндрический пакет, например механически, путем помещения в жесткую цилиндрическую обойму (корпус). Из готового жесткого цилиндрического пакета вынимают цилиндрический предмет.

Внутренние концы - выводы 3 (фиг.3) спиральных проводников гальванически, например путем пайки, соединяют с соответствующими проводниками фидера или согласующего трансформатора.

После этой операции плоская спиральная антенна готова к ее использованию.

Физическая длина металлических прямоугольных полосок зигзагообразной формы больше длины подложек обеспечивает увеличение их индуктивности по сравнению с первым вариантом исполнения изобретения, что позволяет снизить размеры апертуры антенны еще больше, чем в первом варианте исполнения изобретения.

Отличительные признаки изобретения по второму варианту.

Изготавливают зигзагообразные ленточные проводники спирали антенны, длину выпрямленного проводника L спирали рассчитывают по известной формуле (1):

где b - начальный радиус спирали, причем b≤λ_мin/2π;

N - число витков спирали, w - толщина проводника спирали;

М - отношение произведения суммы толщины подложки и толщины проводника на число заходов спирали к толщине проводника;

N - определяется из соотношения (2):

где D_мах - максимальный диаметр спиральной антенны определяется из неравенства D_мax≥λ_мах/π.

Ширина ленточного проводника выполнена больше глубины проникновения электромагнитной волны за апертуру.

По числу проводников спирали изготавливают плоские ленточные гибкие диэлектрические подложки, толщину которых определяют по формуле (3):

где d - толщина подложки, Z - число заходов спирали;

ширина подложки больше ширины h габаритной ширины зигзагообразного проводника, причем h<<λ_мin где λ_мin - минимальная рабочая длина волны.

Подложки изготавливают из гибких листов диэлектрического материала с малым тангенсом угла потерь, нарезают ленточные полоски, ширина которых равна или более габаритной ширины зигзагообразных проводников антенны, а длина равна габаритной длине зигзагообразных проводников.

После чего на каждую диэлектрическую подложку жестко закрепляют зигзагообразные ленточные проводники, подложки с прикрепленными проводниками собирают в пакет путем накладывания их одна на другую, разными сторонами: подложка с проводником - подложка без проводника, и так чтобы проводники были напротив друг друга, жестко скрепляют один конец плоского пакета, содержащий выводы проводников.

Скрепленный конец пакета подложек накладывают на жесткий цилиндрический предмет, диаметр которого равен двум начальным радиусам спирали антенны, а длина больше ширины подложек.

После чего накручивают пакет из подложек и проводников на цилиндрический предмет, жестко фиксируют изготовленный цилиндрический пакет, из готового жесткого цилиндрического пакета вынимают цилиндрический предмет, внутренние концы - выводы спиральных проводников гальванически соединяют с соответствующими проводниками фидера или согласующего трансформатора.

Реализация способа

Заявляемым способом была изготовлена двухзаходная плоская арифметическая спиральная антенна, которая имела следующие характеристики.

Параметры двухзаходной антенны, изготовленной по первому варианту исполнения изобретения:

- диапазон частот измерений от 1 до 4,7 ГГц;

- диапазон длин волн измерений 300-64 мм;

- максимальный диаметр антенны - 100 мм;

- число витков одного плеча антенны - 5;

- количество подложек - 2;

- длина и ширина прямоугольных подложек 945×15 мм;

- длина и ширина прямоугольных проводников 945×4 мм;

- толщина проводников - 0,05 мм;

- количество проводников - 2;

- диаметр жесткого цилиндрического тела 20 мм.

Кроме того, была изготовлена антенна по способу-прототипу.

Параметры двухзаходной антенны, изготовленной по способу-прототипу:

- диапазон частот измерений от 1 до 4,7 ГГц;

- диапазон длин волн измерений 300-64 мм;

- максимальный диаметр антенны - 100 мм;

- число витков одного плеча антенны - 5;

- длина и ширина прямоугольных проводников - 945×2;

- толщина проводников - 0,05 мм;

- минимальный диаметр спирали антенны - 20 мм.

Лабораторные измерения антенны, изготовленной по способу-прототипу, и антенны, изготовленной по предлагаемому способу, показали уменьшение рабочей частоты нижней границы рабочего диапазона на 30% и увеличение коэффициента усиления антенны в 2 раза, изготовленной по изобретению, по сравнению с прототипом с ростом рабочей длины волны (фиг.4). На наибольшей длине волны коэффициент усиления антенны прототипа в два с лишним раза меньше, чем у предлагаемой антенны за счет большей мощности потерь в антенне из-за меньшего сечения проводника. Изготовить антенну по способу-прототипу с шириной проводников w=4 мм при М=4 и числе витков N=5 принципиально невозможно, поэтому в антенне-прототипе невозможно обеспечить такое же значение коэффициента усиления.

Лабораторные измерения антенны, изготовленной по изобретению, и антенны, изготовленной по способу-прототипу, показали, что омические потери в проводниках антенны, изготовленной заявляемым способом, в два раза меньше потерь в проводниках антенны, изготовленной по способу-прототипу.

Аналогичным образом был произведен эксперимент со вторым вариантом исполнения изобретения и был получен объявленный технический результат изобретения.

Изобретение относится к антеннам, а именно к спиральным антеннам бортовой радиоаппаратуры. Техническим результатом является уменьшение диаметра апертуры антенны и увеличение ее коэффициента усиления. Способ изготовления спиральной антенны, в котором изготавливают плоские ленточные прямые или зигзагообразные проводники спирали антенны по числу заходов спирали из гибкого диэлектрического материала с малым тангенсом угла потерь по числу проводников, на поверхности каждой диэлектрической подложки жестко закрепляют ленточные проводники, причем подложки с прикрепленными проводниками собирают в пакет путем накладывания их одна на другую разными сторонами: подложка с проводником - подложка без проводника, и так, чтобы проводники были напротив друг друга, жестко скрепляют один конец плоского пакета, скрепленный конец пакета подложек накладывают на боковую поверхность твердого цилиндрического предмета, диаметр которого равен двум начальным радиусам спирали, а длина больше ширины подложек, накручивают на этот предмет пакет из подложек и проводников, жестко фиксируют изготовленный цилиндрический пакет подложек с проводниками, из жесткого цилиндрического пакета подложек вынимают цилиндрический предмет, после чего внутренние концы спиральных проводников соединяют гальванически с соответствующими проводниками фидера или согласующего трансформатора. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ изготовления спиральной антенны, основанный на закреплении проводников спирали на плоской диэлектрической подложке, включающий соединение внутренних концов спиральных проводников гальванически с соответствующими проводниками фидера или согласующего трансформатора, отличающийся тем, что изготавливают плоские ленточные проводники спирали антенны по числу заходов спирали, длину которых определяют по формуле (1):

где b - начальный радиус спирали, причем b≤λ_min/2π ДН
(ДН - диаграмма направленности антенны);
N - число витков спирали, w - толщина проводника спирали;
М - отношение произведения суммы толщины подложки и толщины
проводника на число заходов спирали к толщине проводника;
причем ширина ленточных проводников больше глубины проникновения электромагнитной волны на апертуру антенны, кроме того, изготавливают плоские ленточные подложки из гибкого диэлектрического материала с малым тангенсом угла потерь по числу проводников, толщина которых рассчитывается по формуле (3):

где d - толщина подложки, Z - число заходов спирали,
ширина подложки больше ширины h прямолинейного проводника, причем h<<λ_min, где λ_min - минимальная рабочая длина волны рабочего диапазона частот антенны, после чего на поверхности каждой диэлектрической подложки жестко закрепляют ленточные проводники, причем подложки с прикрепленными проводниками собирают в пакет путем накладывания их одна на другую разными сторонами: подложки с проводником - подложка без проводника, и так, чтобы проводники были напротив друг друга, жестко скрепляют один конец плоского пакета, скрепленный конец пакета подложек накладывают на боковую поверхность твердого цилиндрического предмета, диаметр которого равен двум начальным радиусам спирали, а длина больше ширины подложек, накручивают на этот предмет пакет из подложек и проводников, жестко фиксируют изготовленный цилиндрический пакет подложек с проводниками, из жесткого цилиндрического пакета подложек вынимают цилиндрический предмет, после чего внутренние концы спиральных проводников соединяют гальванически с соответствующими проводниками фидера или согласующего трансформатора.

2. Способ изготовления спиральной антенны, основанный на закреплении проводников спирали на плоской диэлектрической подложке, включающий соединение внутренних концов спиральных проводников гальванически с соответствующими проводниками фидера или согласующего трансформатора, отличающийся тем, что изготавливают зигзагообразные ленточные проводники спирали антенны, длину выпрямленного проводника L спирали определяют по известной формуле (1):

где b - начальный радиус спирали, причем b≤λ_min/2π;
N - число витков спирали, w - толщина проводника спирали;
М - отношение произведения суммы толщины подложки и толщины проводника на число заходов спирали к толщине проводника;
N - определяется из соотношения (2):

где D_max - максимальный диаметр спиральной антенны - определяется из неравенства D_max≥λ_max/π;
причем ширина ленточного проводника больше глубины проникновения электромагнитной волны за апертуру, по числу проводников спирали изготавливают плоские ленточные гибкие диэлектрические подложки, толщину которых определяют по формуле (3):

где d - толщина подложки, Z - число заходов спирали;
ширина подложки больше ширины h габаритной ширины зигзагообразного проводника, причем h<<λ_min, где λ_min - минимальная рабочая длина волны, причем подложки изготавливают из гибких листов диэлектрического материала с малым тангенсом угла потерь, нарезают ленточные полоски, ширина которых равна или более габаритной ширины зигзагообразных проводников антенны, а длина равна габаритной длине зигзагообразных проводников, после чего на каждую диэлектрическую подложку жестко закрепляют зигзагообразные ленточные проводники, подложки с прикрепленными проводниками собирают в пакет путем накладывания их одна на другую разными сторонами: подложка с проводником - подложка без проводника, и так, чтобы проводники были напротив друг друга, жестко скрепляют один конец плоского пакета, содержащий выводы проводников, скрепленный конец пакета подложек накладывают на жесткий цилиндрический предмет, диаметр которого равен двум начальным радиусам спирали антенны, а длина больше ширины подложек, после чего накручивают пакет из подложек и проводников на цилиндрический предмет, жестко фиксируют изготовленный цилиндрический пакет, из готового жесткого цилиндрического пакета вынимают цилиндрический предмет, внутренние концы - выводы спиральных проводников гальванически соединяют с соответствующими проводниками фидера или согласующего трансформатора.