Полусферическая спиральная антенна

Изобретение относится к области радиотехники, а точнее к области спиральных антенн, навитых на поверхностях вращения, и может быть использовано в качестве приемопередающих антенн различных радиотехнических систем, например на подвижных объектах. Техническим результатом является уменьшение осевых габаритов, согласование с передающей линией, комбинированный режим питания и расширенная полоса пропускания по коэффициенту стоячей волны. Полусферическая спиральная антенна содержит диэлектрическую полусферу 1, закрепленную с одной стороны металлического экрана 2, на которую намотан проводник 3 в виде спирали, первый высокочастотный коаксиальный соединитель 4, закрепленный с противоположной стороны металлического экрана, центральный проводник которого соединен с одним концом спирали, второй высокочастотный коаксиальный соединитель 5, закрепленный в центре металлического экрана со стороны первого высокочастотного коаксиального соединителя 4, согласующее устройство 6, установленное радиально внутри диэлектрической полусферы 1 перпендикулярно металлическому экрану 2, при этом центральный проводник второго высокочастотного коаксиального соединителя соединен с началом центрального проводника 7 согласующего устройства 6, а конец центрального проводника 8 согласующего устройства 6 соединен с другим концом спирали 3, коаксиальный тройник 9, выходные плечи 10 и 11 которого соединены со входами первого и второго высокочастотного коаксиального соединителя. 2 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники, а точнее к области спиральных антенн, навитых на поверхностях вращения, и может быть использовано в качестве приемопередающих антенн различных радиотехнических систем, например на подвижных объектах.

Известна антенна, содержащая цилиндрическую спираль /1, стр.10, рис.В.8.а./ и коаксиальные линии, присоединенные к одному и другому концу спирали так, что возможны два режима питания антенны. Аналог работает следующим образом. Прямая волна Т₁ создается в антенне путем подачи входного высокочастотного напряжения на начало спирали у основания. Волна тока в антенне распространяется от начала спирали у основания к концу спирали на вершине. Обозначим режим, при котором создается прямая волна, как режим ПВ.

Обратная волна T_-1 создается в антенне путем подачи входного высокочастотного напряжения на конец спирали у вершины. Волна тока в антенне распространяется от конца спирали у вершины к ее началу у основания. Обозначим режим, при котором создается обратная волна, как режим OB.

Принято считать, что ПВ Т₁ и ОВ Т_-1 в антенне ортогональны, то есть мощности, переносимые каждой волной по спирали, независимы.

Недостатком аналога являются большие осевые габариты, отсутствие возможности одновременного питания двух входов (комбинированного режима).

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой антенне является малогабаритная спиральная антенна на полусферической поверхности /2, стр.53, рис.1./, проводники которой расположены в виде регулярной спирали на полусфере. Эта антенна проста в изготовлении. Недостатком прототипа являются отсутствие комбинированного режима питания антенны и сравнительно узкая полоса пропускания. Конструкция прототипа требует дополнительного согласующего устройства.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является задача создания антенны, согласованной с 50-омным трактом, имеющей уменьшенные осевые габариты, возможность комбинированного режима питания и расширение полосы частот пропускания.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является полусферическая спиральная антенна с уменьшенными, по сравнению с аналогом, осевыми габаритами, согласованная с передающей линией, имеющая комбинированный режим питания и расширенную полосу пропускания по коэффициенту стоячей волны (КСВ) К по уровню К≤2.3 на 5%.

Этот технический результат достигается тем, что в полусферической спиральной антенне, выполненной в виде диэлектрической полусферы, закрепленной с одной стороны металлического экрана, на которую намотан проводник с образованием спирали, первого высокочастотного коаксиального соединителя, закрепленного с противоположной стороны металлического экрана, соединенного с одним концом спирали, новым является то, что введены второй высокочастотный коаксиальный соединитель, закрепленный в центре металлического экрана со стороны первого высокочастотного коаксиального соединителя, согласующее устройство в виде коаксиальной линии с центральными проводниками экспоненциальной формы длиной l₁ и цилиндрической формы длиной l₂, соединенными последовательно так, что l₁+l₂=λ/4, которое установлено радиально внутри диэлектрической полусферы перпендикулярно металлическому экрану, при этом центральный проводник второго высокочастотного коаксиального соединителя соединен с началом центрального проводника согласующего устройства, а конец центрального проводника согласующего устройства соединен с другим концом спирали, коаксиальный тройник, выходные плечи которого соединены со входами первого и второго высокочастотного коаксиального соединителя, разница длин выходных плеч коаксиального тройника выбрана равной l₃-l₄=Δl₃₄=(2n-1)λ_ф/4, где n=1,2,3, λ_ф - длина волны в фидере, l₃ - длина выходного плеча коаксиального тройника, соединенного с первым коаксиальным соединителем, l₄ - длина выходного плеча коаксиального тройника, соединенного со вторым коаксиальным соединителем.

Совокупность существенных признаков заявляемого технического решения позволяет в полусферической спиральной антенне уменьшить осевые габариты, понизить КСВ в диапазоне частот до уровня 2.3 и реализовать комбинированный режим питания антенны.

На фиг.1 приведен эскиз полусферической спиральной антенны. На фиг.2 приведены графики КСВ полусферической спиральной антенны.

Полусферическая спиральная антенна (фиг.1) содержит диэлектрическую полусферу 1, закрепленную с одной стороны металлического экрана 2, на которую намотан проводник 3 с образованием спирали, первый высокочастотный коаксиальный соединитель 4, закрепленный с противоположной стороны металлического экрана, центральный проводник которого соединен с одним концом спирали, второй высокочастотный коаксиальный соединитель 5, закрепленный в центре металлического экрана со стороны первого высокочастотного коаксиального соединителя 4, согласующее устройство 6 в виде коаксиальной линии с центральными проводниками экспоненциальной формы 7 длиной l₁ и цилиндрической формы 8 длиной l₂, соединенными последовательно так, что l₁+l₂=λ/4, которое установлено радиально внутри диэлектрической полусферы 1 перпендикулярно металлическому экрану 2, при этом центральный проводник второго высокочастотного коаксиального соединителя соединен с началом центрального проводника 7 согласующего устройства 6, а конец центрального проводника 8 согласующего устройства 6 соединен с другим концом спирали 3, коаксиальный тройник 9, выходные плечи 10 и 11 которого соединены со входами первого и второго высокочастотного коаксиального соединителя, разница длин выходных плеч коаксиального тройника выбрана равной l₃-l₄=Δl₃₄=(2n-1)λ_ф/4, где n=1,2,3,λ_ф - длина волны в фидере, l₃ - длина выходного плеча 11 коаксиального тройника 9, соединенного с первым высокочастотным коаксиальным соединителем 4, l₄ - длина выходного плеча 10 коаксиального тройника 9, соединенного со вторым высокочастотным коаксиальным соединителем 5.

На фиг.2 приведены экспериментальные графики зависимости от частоты значения коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВ). Кривая 1 соответствует измерениям КСВ макета полусферической спиральной антенны без согласующего устройства, кривая 2 - с согласующим устройством.

Полусферическая спиральная антенна представляет собой антенну прямой и обратной волны с двумя входами.

Полусферическая спиральная антенна работает следующим образом

ВЧ напряжение СВЧ генератора подается на вход коаксиального тройника «Вход». Мощность генератора делится поровну между плечами коаксиального тройника. Напряжение через одно выходное плечо 10 коаксиального тройника подается на высокочастотный коаксиальный соединитель 4, соединенный с одним концом спирали у основания полусферы, через другое плечо 11 - на высокочастотный коаксиальный соединитель 5, соединенный через согласующее устройство с другим концом спирали у вершины полусферы. Далее прямая волна Т₁ создается в антенне путем подачи входного высокочастотного напряжения на начало спирали у основания полусферы. Волна тока в антенне распространяется от начала спирали у основания полусферы к концу спирали на вершине. Обратная волна Т_-1, создается в антенне путем подачи входного высокочастотного напряжения на конец спирали у вершины полусферы. Волна тока в антенне распространяется от конца спирали у вершины полусферы к ее началу у основания полусферы. Полусферическая спиральная антенна работает в комбинированном режиме, при котором одновременно существует прямая и обратная волна. При этом высокочастотное напряжение от генератора подается через коаксиальный тройник сразу на два входа. Длина плеч коаксиального тройника выбирается так, чтобы высокочастотное колебание, поступающее на один из входов, запаздывало относительно другого входа на время τ=π/2. В результате этого ПВ и ОВ в антенне находятся во временной квадратуре.

Полусферическая поверхность может быть изготовлена из любого диэлектрического материала, например, фторопласта Ф-4, пенополиуретана и т.п.

Проводник, образующий спираль может быть изготовлен из проволоки произвольного сечения, например, медной проволоки круглого сечения, диаметром 2.5 мм. Рекомендуемый продольный размер поперечного сечения проводника D_П≤0.005 l_в, где l_в - длина проводника.

В качестве коаксиальных соединителей может быть использован любой высокочастотный коаксиальный промышленный соединитель, например СР50 - 150Ф или СР50 - 73Ф.

Внешний проводник 6 согласующего трансформатора может быть изготовлен из любой трубки, например латунной трубки типа «Труба ДКНМР16×10Л63 ГОСТ 494 - 75»

Центральные проводники 7 и 8 согласующего устройства могут быть изготовлены из латунных прутков любой марки, например ЛС59-1 ГОСТ 15527 - 74.

В целях подтверждения осуществляемости заявляемой полусферической спиральной антенны изготовлен макет антенны со следующими данными:

- рабочая частота f₀=700 МГц;

- диаметр проводника спирали 2 мм;

- спираль регулярная, с постоянным шагом по дуге;

- спираль имеет один заход и четыре витка;

- радиус диэлектрической полусферы 75 мм;

- диаметр металлического экрана 250 мм;

- внешний диаметр согласующего устройства 16.6 мм;

- длина согласующего устройства 73 мм.

Покажем, что предлагаемая полусферическая спиральная антенна согласована с 50-омным трактом и имеет в полосе частот КСВ≤2.3. На графике фиг.2 представлены графики КСВ макета антенны, измеренные без согласующего устройства и с согласующим устройством.

Проведенный анализ показывает, что предлагаемая полусферическая спиральная антенна удовлетворяет условиям патентоспособности, технически реализуется и имеет промышленную применимость.

Источники информации

1. О.А.Юрцев, А.В.Рунов, А.Н.Казарин. Спиральные антенны, М.: Сов. радио, 1974 г.

2. Лобкова Л.М., Проценко М.Б., Молчанов В.В. Малогабаритная спиральная антенна на полусферической поверхности. Известия вузов, радиоэлектроника. Том №11. Ноябрь, 2000, стр.53-61.

3. В.Рамзей. Частотно-независимые антенны. М., Мир, 1968 г.

Полусферическая спиральная антенна, выполненная в виде диэлектрической полусферы, закрепленной с одной стороны металлического экрана, на которую намотан проводник в виде спирали, высокочастотный коаксиальный соединитель, закрепленный с противоположной стороны металлического экрана, соединен с одним концом спирали, отличающаяся тем, что введены второй высокочастотный коаксиальный соединитель, закрепленный в центре металлического экрана со стороны первого высокочастотного коаксиального соединителя, согласующее устройство в виде коаксиальной линии с центральными проводниками экспоненциальной формы длиной l₁ и цилиндрической формы длиной l₂, соединенными последовательно так, что l₁+l₂=λ/4, которое установлено радиально внутри диэлектрической полусферы перпендикулярно металлическому экрану, при этом центральный проводник второго высокочастотного коаксиального соединителя соединен с началом центрального проводника согласующего устройства, а конец центрального проводника согласующего устройства соединен с другим концом спирали, коаксиальный тройник, выходные плечи которого соединены со входами первого и второго высокочастотного коаксиального соединителя, разница длин выходных плеч коаксиального тройника выбрана равной l₃-l₄=Δl₃₄=(2n-1)λ_ϕ/4, где n=1, 2, 3, λ_ф - длина волны в фидере, l₃ - длина выходного плеча коаксиального тройника, соединенного с первым коаксиальным соединителем, l₄ - длина выходного плеча коаксиального тройника, соединенного со вторым коаксиальным соединителем.