ПЛОСКАЯ СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА Российский патент 2015 года по МПК H01Q11/08 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, и может быть использовано в качестве плоской спиральной антенны, используемой в качестве излучателей фазированных антенных решеток широкополосных пеленгационных систем.

Известна спиральная антенна [US 1587611, H01Q 11/08, 31, 23.08.1990], которая содержит двухзаходную арифметическую спираль, имеющую не менее 3,5 витков в каждой ветви, согласующий элемент и коаксиальный соединитель, причем спираль размещена на диэлектрической плате, установленной над экраном на расстоянии 0,1-0,15 максимальной рабочей длины волны, ветви двухзаходной спирали замкнуты в центре, согласующий элемент выполнен в виде отрезка коаксиальной линии, внешний проводник которой соединен со спиралью и металлическим диском диаметром 0,1 максимальной рабочей длины волны, который расположен от спирали на расстоянии не более 0,02 максимальной рабочей длины волны, внутренний проводник соединен со спиралью в точке, находящейся на расстоянии 0,34-0,38 максимальной рабочей длины волны, отсчитываемом вдоль ветви спирали от ее центра.

Недостатком этой антенны является относительно большая дисперсия, которая вызвана большой длиной ветвей спирали (не менее двух минимальных длин волн), что приводит к большим пеленгационным ошибкам.

Известна также спиральная антенна [US 1307496, H01Q 11/08, 30.03.1985], содержащая излучатель в виде плоской двухзаходной спирали, установленной в плоскости раскрыва резонатора, при этом, излучатель подключен к питающему фидеру через согласующий элемент, выполненный в виде начального участка двухзаходной спирали, форма огибающей начального участка двухзаходной спирали выбрана из уравнений:

ρ(φ)_вн=A1·exp(B·φ)

для внутренней стороны полоска ветвей спирали,

ρ(φ)_н=A1·exp(B·φ)+C·φ/(D+φ)

для наружной стороны полоска ветвей спирали,

где ρ(φ)_вн и ρ(φ)_н - радиусы внутренней и наружной сторон полоска ветвей плоской двухзаходной спирали в функции координаты φ полярной системы координат (ρ,φ); A₁, A₂, B - заданные параметры, определяющие ширину полоска ветвей спирали плоской двухзаходной спирали, причем A₁, A₂, B>0, C, D и E - параметры, выбранные из соотношений:

D=φ_max·(E-1); Δρ_max=C·φ_max/(D+φ_max);

ρ_конт=A_{2 exp}(-B·φ_конт)+C·φ_конт/(D+φ_конт),

где ρ_конт, φ_конт - параметры начального участка плоской двухзаходной спирали в месте подключения к питающему фидеру;

ρ_max, φ_max - параметры в точке с максимальным приращением ширины полоска Δρ_max.

Недостаток этой антенны заключается в относительно узких функциональных возможностях, обусловленных тем, что ее максимальная рабочая длина волны не может быть больше удвоенного размера внешнего диаметра спирали антенны, так как укороченная длина средней части не обеспечивает необходимый набег разности фаз между токами в ветвях спирали, приводящей к формированию синфазного излучающего виртуального кольца спиральной антенны, а при рабочей длине волны, превышающей удвоенный размер диаметра спиральной антенны, нарушается ее согласование с питающим фидером.

Наиболее близкой по технической сущности к предложенной является спиральная антенна [RU 2369948 C1, H01Q 11/08, 10.10.2009], содержащая резонатор и излучатель, выполненный в виде плоской двухзаходной спирали, жестко закрепленный в плоскости раскрыва резонатора, подключенный к питающему фидеру, при этом с внутренней и наружной боковых сторон ветвей двухзаходной спирали выполнены согласующие ступенчатые неоднородности, причем формы огибающих кривых боковых сторон ветвей двухзаходной спирали излучателя антенны и положения согласующих ступенчатых неоднородностей на боковых сторонах ветвей двухзаходной спирали рассчитывают по формулам (1) и (2):

$${\left({\rho }_{i,n}\right)}_{нр}=B\cdot \left\{1-\cos \lfloor {\alpha }_{i,n}-\left(i-1\right)\cdot \pi /2\rfloor \right\}\left(1\right)$$

при условии, что α_i,n≤3,0754+(i-1)·π/2

при условии α_i,n>3,0754+(i-1)·π/2,

где (ρ_i,n)_нр и (ρ_i,n)_р - текущие значения радиусов векторов форм огибающих кривых i-x боковых сторон ветвей двухзаходной спирали, как функции α_i,n в полярной системе координат (ρ, α);

i - индекс, значения которого при расчете последовательно принимают значения: 1, 2, 3 и 4;

n - индекс последовательно принимает значения от 0 (или другого целого числа) до значения «к» и характеризует конкретное значение аргумента cu.n, при котором в данный момент рассчитываются значения (ρ_i,n)_нр и (ρ_i,n)_р;

к - параметр определят точность проводимых расчетов, (к+1) - количество точек на заданном интервале изменения аргумента α_i,n, при котором производится расчет функций (ρ_i,n)_нр и (ρ_i,n)_р;

α_i,n=A·π·n/k+(i-1)·π/2 - текущее значение аргумента функции радиусов-векторов (ρ_i,n)_нр и (ρ_i,n)_р;

А - параметр, определяющий количество витков ветвей двухзаходной спирали;

В - параметр, определяющий крутизну захода и диаметр нерегулярной части ветвей двухзаходной спирали;

С=3·[4·(i-1)+g+i/4,8] - поправочный коэффициент, значения g находятся в пределах от 0,8 до 10;

F - параметр, значения которого находятся в пределах от 0,5 до 10.

Причем спираль размещена на диэлектрической плате, установленной над проводящим экраном, являющимся нижней частью резонатора, на расстоянии 0,1-0,15 максимальной рабочей длины волны, боковая проводящая стенка резонатора имеет цилиндрическую форму и удалена от внешнего витка спиральной антенны на расстояние, равное минимальному расстоянию между проводниками двухзаходной спиральной антенны.

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкая полоса рабочих частот, вызванная относительно узкой полосой рабочих частот в области ее нижних составляющих.

Задача, которая решается в изобретении, заключается в расширении полосы рабочих частот антенны в область низких частот.

Требуемый технический результат заключается в расширении полосы рабочих частот в области ее нижних составляющих при одновременном уменьшении коэффициента стоячей волны на входе антенны в области низких частот и уменьшении габаритов плоской спиральной антенны.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в антенне, содержащей резонатор и излучатель, выполненный в виде плоской двухзаходной спирали, которая жестко закреплена в плоскости раскрыва резонатора и подключена к питающему фидеру, согласно изобретению наружный виток плоской двухзаходной спирали выполняют в виде линии задержки путем придания наружному витку зигзагообразной формы с равномерным размещением зигзагообразных выступов вдоль средней линии наружного витка и включением между зигзагообразными выступами конденсаторов, причем высота H зигзагообразных выступов относительно их ширины h ограничена соотношением H<7h, а емкость конденсаторов выбирается из условия

,

где L_cp - длина наружного витка по его средней линии, f_min - минимальная рабочая частота антенны, L_max - индуктивность зигзагообразного выступа максимальной высоты.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что зигзагообразные выступы имеют или П-образную форму, или Λ-образную форму, или синусообразную форму.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что высота зигзагообразных периодически изменяется вдоль средней линии наружного витка.

На чертеже представлены:

на фиг. 1 - форма двухзаходной спирали;

на фиг. 2 - фрагмент двухзаходной спирали с включенными конденсаторами.

Плоская спиральная антенна имеет стандартную конструкцию, включающую резонатор (на чертеже не показан) и излучатель, выполненный в виде плоской двухзаходной спирали 1, которая жестко закреплена в плоскости раскрыва резонатора и подключена к питающему фидеру (на чертеже не показан).

В плоской спиральной антенне наружный виток 2 выполняют в виде линии задержки путем придания наружному витку зигзагообразной формы с равномерным размещением зигзагообразных выступов 3 вдоль средней линии наружного витка и включением между зигзагообразными выступами 3 конденсаторов 4.

Кроме того, высота H зигзагообразных выступов 3 относительно их ширины h ограничена соотношением H<7h, а емкость конденсаторов 4 выбирается из условия

,

где L_cp - длина наружного витка по его средней линии, f_min - минимальная рабочая частота антенны, L_max - индуктивность зигзагообразного выступа максимальной высоты.

Ограничение на высоту выступов снизу является естественным, поскольку выступ должен быть больше радиуса спирали.

Ограничение на высоту выступов сверху H<7h основывается на экспериментальных данных. С утилитарной физической точки зрения для расширения полосы рабочих частот в область нижних частот надо максимально увеличивать длину проводника последнего витка, но в действительности электромагнитное поле, бегущее по антенне и связанное с проводником, зависит от формы проводника сложным образом. При увеличении частоты зигзагов вначале наблюдается замедление фазовой скорости, а затем она возвращается к прежнему значению. При большой частоте зигзагов, т.е. при H>>h, образуется как бы один сплошной широкий проводник, т.к. волна "не замечает" выступов.

Зигзагообразные выступы 3 имеют или П-образную форму, или Λ-образную форму, или синусообразную форму, или близкую к ним форму.

Особенностью предложенной антенны является то, что высота H зигзагообразных выступов 3 может периодически изменяться вдоль средней линии наружного витка. На фиг. 2 показан пример, когда высота H зигзагообразных выступов 3 четырежды равномерно изменяется от минимальной до максимальной. За счет изменения высоты зигзагов удается расширить полосу перекрытия полосы рабочих частот последнего витка. Из теории спиральных антенн известно, что один виток обеспечивает двукратное перекрытие по рабочей длине волны от λ_мин=0,65L до λ_макс=1,3L, где L длина витка, кроме того, удается уменьшить отражение от границы участка обычной спирали и спирали с зигзагами. Важное значение имеет и тот факт, что в условиях массо-габаритных размеров прямоугольных резонаторов использование приема, связанного с увеличением высоты зигзагов в углах резонаторов, позволяет максимально увеличить длину проводника излучателя.

Фактически наружный виток выполнен в виде линии задержки, погонная индуктивность L_пoг которой формируется за счет придания наружному витку зигзагообразной или П-образной формы, или Λ-образной формы, или синусообразной формы, или близкой к ним формы, а погонная емкость C_пог сформирована за счет включения сосредоточенных высокочастотных конденсаторов между зигзагообразными выступами. Размеры зигзагообразных выступов 3 периодически изменяются вдоль наружного витка. При этом периодически изменяется и величина их погонной индуктивности L_пoг. Максимальную индуктивность L_max имеет зигзагообразный выступ с наибольшей длиной проводника (максимальной высотой). Форма зигзагообразных выступов 3 выбирается так, чтобы в среднем высота зигзагообразного выступа 3 превышала его ширину не более чем в 7 раз: H<7h. Конденсаторы, включенные между зигзагообразными 3 выступами, имеют емкость, выбираемую из условия:

,

где L_cp - длина наружного витка по его средней линии, f_min - минимальная рабочая частота антенны.

Работает плоская спиральная антенна следующим образом.

В зависимости от рабочей частоты (частоты сигнала, который подается по фидеру) при работе антенны возбуждается тот или иной рабочий участок плоской двухзаходной спирали 1, которая выполняет функции излучателя и выполнена, например, методом травления фольги, наклеенной на стеклотекстолит, или в виде печатные платы.

При изменении рабочей частоты рабочий участок перемещается по проводящей части плоской двухзаходной спирали 1, причем его размеры, выраженные в длинах волн излучающего тока, на каждой рабочей частоте остаются постоянными. Плоская двухзаходная спираль 1, которая выполняет функции излучателя, выполняется в виде линий задержки путем придания наружному витку 2 зигзагообразной формы с равномерным размещением зигзагообразных выступов 3 вдоль средней линии наружного витка и включением между зигзагообразными выступами конденсаторов 4.

В области низких частот вблизи минимальной рабочей частоты излучение антенны создается наружным витком 2. Для уменьшения фазовой скорости и длины волны излучающего тока наружный виток 2 проводящей части антенны имеет зигзагообразную форму, обеспечивающую увеличение погонной индуктивности, а между зигзагообразными выступами 3 включаются конденсаторы 4, обеспечивающие увеличение погонной емкости.

Все это приводит к смещению нижней частоты полосы рабочих частот в строну низких частот.

Причем погонные индуктивности L_пoг и погонные емкости C_пог наружного витка (это индуктивности и емкости зигзагообразных выступов 3, отнесенные к их ширине) преимущественно выбираются так, что величина фазовой скорости и длины волны излучающего тока на наружном витке спирали, равная v=(LC)^-1/2, менялась линейно. Этим самым обеспечивается достаточно хорошее согласование наружного витка с предыдущими.

Таким образом, благодаря введенным усовершенствованиям, в частности, тем, что наружный виток плоской двухзаходной спирали выполняют в виде линии задержки путем придания наружному витку зигзагообразной формы с равномерным размещением зигзагообразных выступов вдоль средней линии наружного витка и включением между зигзагообразными выступами конденсаторов, достигается требуемый технический результат, заключающийся в расширении полосы рабочих частот в области ее нижних составляющих при одновременном уменьшение коэффициента стоячей волны на входе антенны в области низких частот. Это позволяет также достичь уменьшения габаритов плоской спиральной антенны при фиксированной полосе рабочих частот.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, и может быть использовано в качестве плоской спиральной антенны, используемой в качестве излучателей фазированных антенных решеток широкополосных пеленгационных систем. Технический результат - расширение полосы рабочих частот антенны в сторону низких частот. Для этого в антенне, содержащей резонатор и излучатель, выполненный в виде плоской двухзаходной спирали, которая жестко закреплена в плоскости раскрыва резонатора и подключена к питающему фидеру, наружный виток плоской двухзаходной спирали выполняют в виде линии задержки путем придания наружному витку зигзагообразной формы с равномерным размещением зигзагообразных выступов вдоль средней линии наружного витка и включением между зигзагообразными выступами конденсаторов, причем высота H зигзагообразных выступов относительно их ширины h ограничена соотношением H<7h, а емкость конденсаторов выбирается из условия

,

где L_cp - длина наружного витка по его средней линии, f_min - минимальная рабочая частота антенны, L_max - индуктивность зигзагообразного выступа максимальной высоты. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Плоская спиральная антенна, содержащая резонатор и излучатель, выполненный в виде плоской двухзаходной спирали, которая жестко закреплена в плоскости раскрыва резонатора и подключена к питающему фидеру, отличающаяся тем, что наружный виток плоской двухзаходной спирали выполняют в виде линии задержки путем придания наружному витку зигзагообразной формы с равномерным размещением зигзагообразных выступов вдоль средней линии наружного витка и включением между зигзагообразными выступами конденсаторов, причем высота Н зигзагообразных выступов относительно их ширины h ограничена соотношением H<7h, а емкость конденсаторов выбирается из условия

где L_cp - длина наружного витка по его средней линии, f_min - минимальная рабочая частота антенны, L_max - индуктивность зигзагообразного выступа максимальной высоты.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что зигзагообразные выступы имеют или П-образную форму, или Λ-образную форму, или синусообразную форму.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что высота зигзагообразных выступов периодически изменяется вдоль средней линии наружного витка.