СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА Российский патент 2014 года по МПК H01Q11/00 H01Q1/36 

В антенной технике часто применяются широкополосные и сверхширокополосные плоские, полусферические, комбинированные спиральные антенны, работающие в режиме осевого излучения. Изменение ширины диаграмм направленности (ДН) в рабочей полосе частот у этих антенн зависит от многих факторов: диапазона перекрытия по частоте, типа спирали, возбуждения гармоник высших типов, параметров симметрирующего устройства, конструкции резонатора, с которым работает спираль, характеристик радиопоглощающего материала в резонаторе, от типа нагрузок на концах спирали. Одно из основных проявлений нестабильности ширины диаграммы направленности слабонаправленных широкополосных и особенно сверширокополосных антенн выражается в том, что на верхних частотах рабочего диапазона ширина диаграммы направленности уменьшается и это может привести к частичному невыполнению технических требований к изделию, где данная антенна применяется. О сужении главного лепестка диаграммы направленности с ростом частоты отмечается в книге «Антенны» К. Ротхаммеля (том I, стр.341, издание «Наш город», Минск, 2001 г.). У большинства широкополосных антенн частотная область, которая выражается через отношения F_max:F_min едва превосходит 4:1, причем в рабочей области постоянно лишь входное сопротивление, а диаграмма направленности излучения изменяется с частотой. Как правило, с ростом частоты сужается главный лепесток и растет число боковых лепестков. Информацией об устройствах для расширения диаграмм направленности в области верхних частот слабонаправленных антенн с эллиптической поляризацией, работающих в широкой и сверхширокой полосе частот, авторы не располагают.

Известно устройство для расширения диаграммы направленности в H плоскости волноводного излучателя («Антенны сантиметровых волн», том 2, стр.51, изд. «Советское радио», Москва, 1950 г.). Антенна представляет собой открытый конец волновода, углы которого симметрично срезаны, с металлическим стержнем, помещенным в раскрыве. Отличие его состоит в том, что стержень помещается непосредственно в самом раскрыве антенны и действует на весь частотный диапазон антенны. Кроме того, стержень антенны работает только на линейной поляризации и, судя по приведенным диаграммам направленности, монотонность их нарушается

Известен также излучатель (Сборник докладов научно-технической конференции «Обмен опытом в области создания сверширокополосных радиоэлектронных систем», Омск, 2006 г., стр.154-157), где применяется рассеиватель вибраторного типа, помещенный перед раскрывом рупорной антенны, при этом параметры его подбирались так, чтобы максимальный эффект рассеивания был на верхних частотах диапазона. Отличие его состоит в том, что он действует на весь частотный диапазон излучателя и работает только на линейной поляризации. Кроме того, указанное устройство, как видно из приведенных диаграмм, не дает выраженного эффекта расширения диаграммы направленности. Ширина диаграммы направленности излучателя на верхних частотах диапазона на уровне 3 дб для вертикальной и горизонтальной поляризаций составляет 22,2÷27,5° и их в этом случае следует отнести к направленным, а не к слабонаправленным или широкоугольным диаграммам направленности.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является сверхширокополосная спиральная антенна (патент RU 2422954, H01Q 9/00). Имея коэффициент перекрытия диапазона рабочих частот не менее 20 и хорошие радиотехнические характеристики, она в верхней части рабочего диапазона также в некоторой степени сужает диаграмму направленности. Изменение усредненной ширины диаграммы направленности данной антенны выглядит следующим образом: на нижних частотах 95, на средних частотах 90, на верхних частотах 75. Из этих данных видно заметное изменение ширины диаграммы направленности на верхних частотах диапазона.

Целью изобретения является обеспечение расширения диаграммы направленности спиральной антенны на участке верхних частот рабочего диапазона при сохранении ее монотонности.

Сложность решаемой задачи заключается в том, что расширение диаграммы направленности антенны необходимо осуществить в узкой полосе частот в верхней части рабочего диапазона, например в полосе 1 ГГц.

Указанная цель достигается тем, что спиральная антенна, содержащая комбинированную спираль, дополнена корректором диаграммы направленности, представляющим собой металлический конус, установленный соосно с антенной на расстоянии 0,2 λ верх. впереди витков плоской спирали, основание конуса имеет диаметр 0,2 λ верх. и угол при вершине около 60°, вершина конуса направлена в центр спирали; конус установлен внутри полого диэлектрического цилиндра, закрепленного на центральной части плоской спирали.

Расположение конуса относительно спирали показано на рис.1, где 1 - плоская спираль, 2 - металлический диэлектрический конус, 3 - диэлектрический цилиндр.

Следует отметить, что увеличение диаметра конуса приводит к дополнительному сужению диаграммы направленности спирали, т.е. конус в этом случае выполняет роль направляющего элемента. Уменьшение диаметра основания конуса приводит к уменьшению эффекта расширения диаграммы направленности. Конус может быть заменен металлическим диском, но в этом случае также получается некоторое ослабление эффекта расширения диаграммы направленности. Для пояснения влияния корректора на диаграмму направленности ниже приведена таблица с экспериментальными данными по уровню диаграммы направленности сверхширокополосной комбинированной спиральной антенны на углах ±45° от геометрической оси антенны относительно уровня в максимуме диаграммы направленности.

FГГц Fв Fв-0,5 Fв-1 антенна без изменений 0,12 0,10 0,11 антенна с металлическим диском ø 0,215λв
h 0,21λв 0,22 0,17 0,17 антенна с металлическим диском ø 0,215λв
h 0,178λв 0,2 0,15 0,18 антенна с металлическим диском ø 0,215 λв
h 0,239λв 0,23 0,15 0,20 антенна с металлическим конусом основ ø 0,215λв; α≈60°
h 0,215λв 0,24 0,18 0,21

Из таблицы видно, что применение металлического конуса приводит к увеличению уровня диаграммы направленности на углах ±45° в 2 раза (3 дб). Это существенно корректирует ее форму и уменьшает эффект сужения главного лепестка в частотном диапазоне с сохранением монотонности.

Таким образом, решена поставленная задача и достигнут требуемый технический результат, а именно расширена диаграмма направленности в верхней части рабочего диапазона частот.

Изобретение относится к антенной технике, а именно к спиральным антеннам. Технический результат - расширение диаграммы направленности антенны в верхней части рабочего диапазона. Спиральная антенна, содержащая комбинированную спираль, дополнена корректором диаграммы направленности, выполненным в виде металлического конуса, установленного соосно с антенной на расстоянии 0,2 λ верх. впереди витков плоской спирали, основание конуса имеет диаметр 0,2 λ верх. и угол при вершине около 60°, вершина конуса направлена в центр спирали, а сам конус установлен внутри полого диэлектрического цилиндра, закрепленного на центральной части плоской спирали. 1 ил.

Спиральная антенна, содержащая комбинированную спираль, отличающаяся тем, что конструкция антенны дополнена корректором диаграммы направленности, представляющим собой металлический конус, установленный соосно с антенной на расстоянии 0,2 λ верх. впереди витков плоской спирали, основание конуса имеет диаметр 0,2 λ верх. и угол при вершине около 60°, вершина конуса направлена к центру спирали, а сам конус помещен внутри полого диэлектрического цилиндра, закрепленного на центральной части плоской спирали.