КВАДРИФИЛЯРНАЯ АНТЕННА
QUADRIFILAR ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве антенны приемного устройства спутниковой навигации.
Спиральные антенны широко используются в различных радиоэлектронных системах, в том числе и в системах навигации. К числу их достоинств относятся простота конструкции, относительно малые габариты и при этом направленность излучения. Хорошо известны антенны на основе однозаходной спирали (Kraus J.D. "A 50-Ohm Input Impedance for Helical Beam Antennas" IEEE AP. V. AP-25. №6. P.913.). Недостатком таких антенн являются их большие габариты, обусловленные тем, что для удовлетворительной работы антенны необходимо большое количество витков для формирования волны, бегущей вдоль спирали.
Многозаходные спирали, чаще всего двух- и четырехзаходные, могут иметь существенно меньшие габариты, поскольку они могут функционировать как резонансные антенны. Резонанс в антенне имеет место, когда длина проводников кратна четверти длины волны в свободном пространстве. Наибольшее распространение получили антенны с четверть- и полуволновыми плечами. Наименьшие габариты имеют четвертьволновые двух- и четырехзаходные спиральные антенны.
Предлагаемое техническое решение относится к четырехзаходным спиральным антеннам, которые также называют квадрифилярными антеннами. Достоинством таких антенн является возможность реализации в достаточно широком диапазоне частот направленного излучения круговой поляризации. В антенной технике полной характеристикой направленности излучения служит диаграмма направленности. Более простой характеристикой, принятой для описания антенн малых электрических размеров, является отношение интенсивности излучения вперед к интенсивности излучения назад (ОИВН). Этот параметр часто используется для описания многозаходных спиральных антенн, которые имеют максимум излучения вдоль оси спирали в одном направлении и минимум вдоль той же оси, но в противоположном направлении.
Квадрифилярные антенны отличаются разными схемами питания, существенно влияющими на их функционирование. Известна квадрифилярная антенна с одним элементом питания (Патент США, №5170176, 1992). Недостатком такого технического решения является противоречие между требованиями к эллиптичности излучения и требованием согласования антенны. Эллиптичность антенны с круговой поляризацией характеризуется коэффициентом эллиптичности (КЭ), который в идеальном случае равен единице. В антенне с одним элементом питания невозможно одновременно обеспечить идеальное согласование и КЭ, равный единице. Поэтому обычно одним из важных параметров приходится жертвовать. Кроме того, такая антенна имеет относительно узкую полосу рабочих частот.
Квадрифилярные антенны отличаются разным выполнением спиральных излучателей. Известна квадрифилярная антенна, в которой спиральный излучатель выполнен в виде двух металлических проводников (Патент США №6421028, 2002). Такое выполнение спирального излучателя позволяет расширить полосу рабочих частот антенны, а также обеспечить ее функционирование в разнесенных частотных диапазонах.
Наиболее близким к заявляемой антенне техническим решением является квадрифилярная антенна с четырьмя спиральными излучателями (Патент США №5138331, 1992). В ней имеются четыре спиральных излучателя, выполненных в виде трех металлических проводников. При этом все проводники изогнуты по спиралям, имеющим общую ось. Их положение вдоль указанной оси одинаковое. Отличаются они только угловым сдвигом друг относительно друга. Возбуждение спиральных излучателей осуществляется с помощью схемы питания, которая имеет три входа и двенадцать выходов. Металлические проводники спиральных излучателей одними концами соединены с выходами схемы питания, а противоположные концы металлических проводников свободны.
Недостатком данной антенны является крайне низкое входное сопротивление спиральных излучателей, составляющее единицы Ом. Согласование такого сопротивления с другими цепями, обычно рассчитанными на работу с нагрузками в 50 Ом, осуществляется с помощью специальных трансформаторов импеданса. Применение таких трансформаторов увеличивает габариты антенны, сужает ее полосу рабочих частот, повышает стоимость.
Предлагаемая антенна решает одновременно несколько задач. Она имеет входное сопротивление, близкое к волновому сопротивлению стандартных кабелей в 50 Ом и, следовательно, более широкую полосу рабочих частот и более простую конструкцию, так как необходимости в использовании специальных трансформаторов сопротивлений нет.
Эти задачи решаются за счет того, что схема питания выполнена с одним входом и четырьмя выходами в виде одного общего проводника и четырех сигнальных, боковые проводники спиральных излучателей выполнены с одинаковыми поперечными размерами, а центральные проводники спиральных излучателей выполнены с поперечными размерами, отличающимися от поперечных размеров боковых проводников, центральные проводники одним концом гальванически соединены с сигнальными выходами схемы питания, а боковые проводники одним концом гальванически соединены с общим проводником схемы питания, противоположные концы центрального и боковых проводников каждого из спиральных излучателей гальванически соединены друг с другом.
Возможны дополнительные варианты выполнения квадрифилярной антенны, в которых:
1
2
- центральный и боковые проводники выполнены в виде полосковых проводников, причем центральный и боковые проводники имеют разную ширину w и w соответственно, отношение которых установлено в пределах:
зазоры s между центральным и боковыми проводниками выполнены одинаковыми, а их отношение к ширине центрального проводника установлено в пределах:
- введен полый диэлектрический цилиндр, а спиральные излучатели размещаются на поверхности указанного полого диэлектрического цилиндра.
Вариант выполнения квадрифилярной антенны представлен на фиг.1, где показан общий вид квадрифилярной антенны. Она состоит из спиральных излучателей 1, схемы питания 2. Каждый спиральный излучатель 1 выполнен из одного центрального проводника 3 и двух боковых проводников 4. Схема питания 2 имеет четыре выхода, содержащих центральные проводники 5 и общие проводники, соединенные в данной реализации антенны друг с другом в виде одного проводника 6 (земли).
Схема питания 2 выполнена в виде полосковой платы, экран которой одновременно выполняет функцию соединенных вместе общих проводников выходов схемы питания 2. Пример топологии полосковой платы показан на фиг.2. В схеме использованы синфазные делители мощности с отношением деления 1:1 и фазосдвигатели на отрезках полосковых линий передачи. Применение фазосдвигателей обеспечивает сдвиг фаз между напряжениями в выходных каналах на ±90 градусов, а использование синфазных равноамплитудных делителей мощности обеспечивает одинаковые амплитуды указанных выше напряжений.
1
2
Спиральные излучатели 1 также могут быть выполнены в виде печатной схемы. Пример топологии такой схемы показан на фиг.3. Из фиг.3 видно, что центральный и боковые проводники, формирующие спиральный излучатель, имеют разную ширину w и w соответственно.
В отличие от схемы питания плата, показанная на фиг.3, выполняется на основе тонкой диэлектрической подложки. Ее толщина t выбирается так, чтобы обеспечить механическую прочность антенны. Не исключается применение достаточно толстых подложек. В этом случае толстый слой диэлектрика влияет на выходные параметры антенны, в частности снижает ее частоту настройки. Это может быть использовано для уменьшения габаритов антенны.
В силу взаимности структуры ее работу можно рассматривать как в приемном, так и в передающем режимах. Рассмотрим для определенности передающий режим.
Пусть на вход схемы питания 2 поступает волна от СВЧ генератора. Схема питания 2 формирует на своих выходах напряжения с одинаковыми амплитудами и сдвигом фаз на ±90 градусов. Знак сдвига фаз определяет тип круговой поляризации, которую излучает антенна: право- или левовинтовую. Выходные напряжения схемы питания 2 через центральные проводники 5 прикладываются к центральным проводникам 3 спиральных излучателей 1. Эти напряжения возбуждают электрические токи, текущие вдоль проводников спиральных излучателей 1, которые, в свою очередь, возбуждают свободное пространство и формируют излучение круговой поляризации с требуемой диаграммой направленности.
Формирование направленного излучения круговой поляризации поясняется на фиг.4. На фиг.4 представлена упрощенная схема квадрифилярной антенны. В ней спиральные излучатели 1 заменены наклонными прямолинейными излучателями, а выходы схемы питания 2 заменены генераторами напряжений U1-U4, при этом:
z
z
x
x1
1,3
x2
2,4
z
В силу того что питающие напряжения имеют одинаковую амплитуду и сдвинуты по фазе на 90 градусов, то и токи в плечах квадрифилярной антенны 1-4 также одинаковы по амплитуде и сдвинуты по фазе на 90 градусов. Отметим, что токи в прямолинейных излучателях имеют все три компоненты, но вертикальная компонента I не излучает вдоль оси антенны, то есть вдоль оси 0. Поэтому она не влияет на отношение интенсивности излучения вперед-назад. Рассмотрим компоненту тока I. Она складывается из токов I, текущих по наклонным излучателям, возбуждаемым источниками U, и из тока I, текущего по горизонтальному проводнику, подключенному к источникам U. Эти токи расположены на разной высоте h и сдвинуты по фазе на 90 градусов. Анализ излучения таких токов показывает, что их диаграмма направленности F(θ) в вертикальной плоскости (угол θ отсчитывается от оси 0, нулевой угол соответствует излучению вперед) описывается следующей формулой:
где k - волновое число свободного пространства.
Параметр ОИВН при этом определяется следующим образом:
Максимум ОИВН достигается при соотношении между токами
Тогда получаем:
Из соотношения (5) видно, что параметр ОИВН стремится к бесконечности (излучение назад отсутствует), когда , то есть расстояние между токами равно четверти длины волны в свободном пространстве. При меньших расстояниях ОИВН может быть достаточно большой, но конечной величиной.
Излучение волн круговой поляризации в квадрифилярной антенне, показанной на фиг.4, легко объяснить из анализа токов, текущих вдоль проводников. Круговая поляризация возникает, когда имеются одинаковые по амплитуде токи, сдвинутые в пространстве на 90 градусов и имеющие сдвиг по фазе также на 90 градусов. Из сказанного выше следует, что именно такая ситуация наблюдается в квадрифилярной антенне. Если рассмотреть токи на парах излучателей 1-3 и 2-4, то можно заметить, что в пространстве они повернуты на 90 градусов, амплитуды их равны, а фазы отличаются на 90 градусов.
Важным параметром любой антенны является ее входное сопротивление. На практике входное сопротивление антенны стремятся сделать близким к значениям 50-75 Ом, которое легко согласуется с большинством линий передачи. Если входное сопротивление сильно отличается от указанных значений, то приходится использовать дополнительные согласующие устройства - трансформаторы сопротивлений, которые имеют либо большие размеры и узкую полосу при большом перепаде импедансов, либо малые габариты, но большие вносимые потери и узкую полосу. Последний случай соответствует выполнению трансформатора в виде миниатюрного сосредоточенного устройства.
Квадрифилярные антенны с четвертьволновыми спиральными излучателями, выполненными в виде одиночных проводников, имеют очень низкое входное сопротивление порядка единиц Ом. Преобразование такого сопротивления к удобной величине весьма сильно сужает полосу рабочих частот всего устройства.
В предлагаемой антенне используется спиральный излучатель, выполненный из трех проводников: одного центрального и двух боковых. Геометрия спирального излучателя показана на фиг.5. На фиг.6 схематично показано распределение токов на проводниках спирального излучателя.
Излучающее колебание имеет синфазные токи на центральном и боковых проводниках. Такое распределение токов возможно в силу длины излучателя, близкой к четверти длины волны. В точке подключения генератора ток имеет пучность, а на расстоянии четверти длины волны нуль, после которого ток меняет фазу на 180 градусов. В узле тока центральный проводник соединяется с боковыми проводниками. Поэтому токи на боковых проводниках текут в направлении, противоположном направлению токов на центральном проводнике. Изменение направления компенсируется сменой фазы на 180 градусов. В результате токи оказываются синфазными. Вообще говоря, в трех проводниках существует еще одно колебание, характерное для трехпроводной линии, но оно не участвует в излучении в свободное пространство, так как токи на центральном и боковых проводниках противофазны.
Σ
Для одиночного проводника его входное сопротивление совпадает с сопротивлением излучения R. Три синфазных тока излучают в свободное пространство мощность Р, определяемую следующей формулой:
вх
где I - ток в пучности. С другой стороны, мощность излучения можно определить через входное сопротивление R:
Сравнивая формулы (6) и (7), можно сделать вывод, что
1
2
вх
Этот результат получен для проводников с одинаковым поперечным сечением. Если центральный и боковой проводники имеют разное сечение, то входное сопротивление может быть еще сильнее увеличено. Например, если, как показано на фиг.5, проводники выполнены в виде печатной структуры, то входное сопротивление растет с ростом отношения их ширины w к ширине w. Чем меньше отношение , тем ниже входное сопротивление. Конкретная зависимость R от  должна определяться с помощью компьютерного моделирования. Проведенные в среде Windows численные расчеты и экспериментальные исследования квадрифилярной антенны показали, что наилучший результат достигается, когда отношение  установлено в пределах:
,
зазоры s между центральным и боковыми проводниками выполнены одинаковыми, а их отношение к ширине центрального проводника установлено в пределах:
.
Квадрифилярная антенна с полосковыми проводниками отличается высокой технологичностью, так как ее можно выполнить в рамках технологии печатных плат. Однако она не всегда удовлетворяет требованиям к механической прочности, так как слой диэлектрика, на котором выполнены полосковые проводники, в силу особенностей технологии изготовления имеет достаточно малую толщину. Для улучшения механической прочности в конструкцию антенны вводится диэлектрический цилиндр, на поверхности которого размещаются полосковые проводники, формирующие спиральные излучатели. Диэлектрический цилиндр выполнен полым. Это не снижает его механическую прочность, но существенно уменьшает вес.
1
2
Компьютерное моделирование квадрифилярной антенны проводилось с помощью программного комплекса ЭДЭМ (Электродинамика Экранов из Металла), который реализует строгое решение электродинамической задачи методом моментов. Базовые параметры квадрифилярной антенны следующие: диаметр спирали d=20, ширина центрального проводника w=2, ширина боковых проводников w=1.6, зазоры между проводниками s=0.9, угол поворота спирального проводника 120 градусов, высота спирали 35, диаметр основания D=24.
2
На фиг.7 представлена частотная зависимость активной части входного сопротивления для разных значений ширины боковых проводников w=1.2, 1.4, 1.6, 1.8, 2.0 - кривые 1-5 соответственно.
2
На фиг.8 показана частотная зависимость мнимой части входного сопротивления для тех же значений ширины боковых проводников, где видно, что резонансная частота антенны, на которой Х=0, равна 1550 МГц. На этой частоте действительная часть входного сопротивления меняется в диапазоне от 70 до 50 Ом при изменении w в указанных выше пределах.
Из фиг.8 видно, что резонансная частота почти не зависит от ширины боковых проводников. Она определяется, в основном, изменением высоты антенны dh.
p
Зависимость резонансной частоты f от dh показана на фиг.9.
Из фиг.9 видно, что изменение высоты антенны является эффективным средством управления резонансной частотой.
На фиг.10 показана зависимость коэффициента стоячей волны (КСВ) по входу антенны от частоты, позволяющая оценить ее полосу рабочих частот. В данном случае по уровню КСВ=3 она равна 60 МГц.
На фиг.11 показаны расчетные объемные диаграммы направленности квадрифилярной антенны с базовыми параметрами, приведенными выше. Амплитудная (а) показывает пространственное распределение к.н.д., а поляризационная (б) - распределение коэффициента эллиптичности.
Как видно, диаграммы имеют осевую симметрию относительно оси антенны и потому полностью определяются двумерными диаграммами для одного из сечений, проходящих через эту ось. На фиг.12 приведены такие двумерные диаграммы в декартовой системе координат в секторе углов 0-180°. Как и на фиг.11, амплитудная (а) показывает распределение коэффициента направленного действия (к.н.д.), а поляризационная (б) - распределение коэффициента эллиптичности.
Как видно, антенна формирует диаграмму с преимущественным излучением в одну сторону. Отношение мощности излучения в направлении «прямо вперед» к мощности в направлении «назад» составляет около 13 дБ. В направлении максимума излучения поляризация является правой круговой, а к направлению 90° коэффициент эллиптичности плавно спадает до -10 дБ. В направлении около 114° коэффициент эллиптичности падает до нуля (линейная поляризация). В секторе 114°-180° поляризация левая, но интенсивность излучения невелика.
На фиг.13 показан макет квадрифилярной антенны, предназначенной для использования в системе спутниковой навигации.
На фиг.14 приведены результаты измерений КСВ по входу антенны. Как видно, в полосе частот 1572-1620 МГц обеспечивается значение КСВ не хуже 1.5.