ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩАЯ СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА

Назначение
Полезная модель относится к радиотехнике, а именно, к спиральным антеннам с эллиптической поляризацией. Может быть использована в качестве приемопередающих антенн различных радиотехнических систем, в частности, на космических аппаратах.
Уровень техники
Спиральные антенны широко используются в различных радиоэлектронных системах, в том числе в системах навигации. К числу их достоинств относятся простота конструкции, относительно малые габариты, направленность излучения.
Многозаходные спирали могут иметь существенно меньшие габариты, поскольку могут функционировать как резонансные антенны.
Например, известны квадрифилярные спиральные антенны (четырехэлементные антенны). Каждый элемент такой антенны - спиральный проводник, который возбуждается от вывода полосковой схемы питания. В идеальном случае схема питания создает падающие волны с одинаковой амплитудой и со сдвигом фаз на 90 градусов («Расчет квадрифилярной антенны», авторы Сергей Банков, Александр Давыдов, Александр Курушин, «Современная электроника, №1-2008).
1
2
Известна квадрифилярная антенна по патенту РФ на изобретение №2395877, которая может быть использована в качестве антенны приемного устройства спутниковой навигации. Она позволяет принимать (передавать) волны с круговой поляризацией. Квадрифилярная антенна состоит из четырех спиральных излучателей, расположенных с угловым сдвигом на девяносто градусов, выполненных в виде трех металлических проводников - центрального и двух боковых, которые на одном конце соединены друг с другом, а на другом конце подключены к выходам схемы питания. Причем центральный и боковые проводники выполнены в виде полосковых проводников и имеют разную ширину w и w луг 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:.
.
Такое выполнение спиральных излучателей обеспечивает реализацию входного сопротивления антенны близкому к стандартному значению в 50 Ом, что улучшает согласование антенны, расширяет полосу рабочих частот и повышает ее коэффициент усиления. Эта антенна с полосковыми проводниками отличается высокой технологичностью, потому что ее можно выполнить в рамках технологии печатных плат. Однако она не всегда удовлетворяет требованиям по 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.
Недостатком этой антенны является сложная технология изготовления и зависимость входного сопротивления от диаметра каркаса, что не позволяет обеспечить высокий КПД при малых установочных габаритах.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является спиральная антенна по патенту на изобретение РФ №2458438.
Изобретение относится к области радиотехники, а точнее к области спиральных антенн с двумя ортогональными поляризациями, и может быть использовано в качестве приемопередающих антенн различных радиотехнических систем, например, на подвижных объектах. Спиральная антенна содержит диэлектрический каркас, металлический экран, четырехзаходную спираль излучателей. Первый и второй заходы спирали выполнены из коаксиальных кабелей неодинаковой длины. За счет разницы длин обеспечивается сдвиг по фазе на 90 градусов в заходах спирали. Третий и четвертый заходы спирали выполнены из проводника круглого сечения, при этом диаметр проводника равен диаметру коаксиального кабеля. Диэлектрический каркас имеет форму усеченного конуса с ребрами и прикреплен широким основанием к металлическому экрану. Со стороны этого широкого основания первый и второй заходы спирали через высокочастотные соединители, закрепленные на металлическом экране, соединены с выходными плечами коаксиального тройника. Третий и четвертый заходы крепятся непосредственно на металлическом экране. С противоположной стороны диэлектрического каркаса, на верхнем основании центральные проводники коаксиальных кабелей первого и второго заходов соединены с противоположными им проводниками круглого сечения третьего и четвертого заходов.
При разработке конкретной антенны в технических характеристиках указывают выделяемую площадь посадочного места на эксплуатирующем объекте. Для космических аппаратов эта площадь существенно ограничена, а антенна-прототип требует значительного посадочного места на эксплуатирующем объекте (форма - усеченный конус с широким нижним основанием).
Недостатком этой антенны является то, что при малых заданных установочных габаритах на эксплуатирующем объекте требуется конструктивное исполнение с малым диаметром каркаса. При этом уменьшается входное сопротивление антенны, что влечет за собой уменьшение коэффициента полезного действия (КПД). Кроме того, антенна не подходит для использования в космосе, так как не предусмотрена защита от внешних космических воздействий и не достаточна механическая прочность (кабели не защищены и размещение их на каркасе не зафиксировано).
Рабочий диапазон предлагаемой приемо-передающей антенны - метровый. Стандартное значение входного сопротивления такой антенны - 50 Ом. При заданном диаметре посадочного места (например, 80 мм) антенна должна быть достаточно длинной для размещения нужного количества витков, поэтому целесообразно выбрать форму каркаса в виде вытянутого цилиндра, диаметр основания которого может подбираться в соответствии с требованиями к размеру посадочного места на эксплуатирующем объекте. Длина витков рассчитывается от заданной длины волны, равной 2,18 м. Диаметр витков может быть очень небольшим при выполнении условия минимизации посадочного места на космическом аппарате. А при малом диаметре витков имеет место уменьшение входного сопротивления антенны, которое становится значительно отличающимся от волнового сопротивления кабеля, что приводит к затуханию сигнала из-за рассогласования по входному сопротивлению. Если потери рассогласования значительны, то КПД существенно зависит от степени согласования линии с нагрузкой (Антенны. Г.Б. Белоцерковский. Государственное научно-техническое издательство Оборониздат, Москва, 1962, стр. 73). Таким образом, возникает задача согласования входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением кабеля. При этом точку запитки целесообразно расположить в верхней части каркаса, т.к. в этом случае схема симметрирования по конструкции наиболее простая, малогабаритная и широкополосная по сравнению с другими видами симметрирования.
Целью создания полезной модели является обеспечение высокого КПД антенны метрового диапазона с минимальными размерами посадочной части и высокой механической прочностью.
Технической задачей полезной модели является обеспечение наилучшего согласования входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением питающего кабеля, что обеспечивает высокий КПД. Одновременно конструктивным решением должны быть обеспечены минимальные габариты и достаточная механическая прочность для работы в условиях космоса.
Раскрытие полезной модели
Предложенная полезная модель содержит диэлектрический каркас в форме вытянутого цилиндра, диаметр которого определяется предоставляемыми размерами посадочного места на эксплуатирующем объекте. На каркасе расположены излучатели из металлических трубок в виде четырехзаходной спирали. Трубки второго и третьего заходов спирали содержат внутри себя питающие коаксиальные кабели, причем неодинаковой длины, разность которой обеспечивает фазовый сдвиг на 90 град в ортогональных заходах спирали. Превышающая по длине часть кабеля фактически является фазосдвигающим устройством, которое обеспечивает круговую поляризацию излучения антенны. В двух других трубках, первого и четвертого заходов, ближе к верхушке каркаса, размещены отрезки закороченного коаксиального кабеля в виде короткозамкнутых параллельных шлейфов, несущие функцию согласующих элементов, обеспечивающих согласование антенны по входному сопротивлению. Экраны коаксиальных кабелей припаяны к трубкам, внутри которых они проложены. В верхней части антенны металлические трубки изогнуты и размещены на верхней плоскости цилиндрического каркаса в форме условного креста, в центре которого попарно соединяются (например, пайкой) расположенные напротив трубки: -центральный провод коаксиального кабеля с противоположной трубкой, а центральный проводник короткозамкнутого параллельного шлейфа из этой же трубки - с трубкой кабеля. Для обеспечения изоляции проводников и механической прочности их соединения дополнительно установлены фиксаторы.
Основание антенны закрыто крышкой в форме перевернутого стакана, внутри которого размещены элементы фидерного тракта, включая средства вторичного согласования с внешним устройством.
Кроме того, вдоль цилиндрического каркаса установлены крепежные кольца из диэлектрика, охватывающие размещенные на нем излучатели, обеспечивающие механическую прочность конструкции. Также на цилиндрическом каркасе размещено одно перемещаемое кольцо из металла, закорачивающее в месте его установки все четыре металлические трубки, обеспечивая возможность настройки антенны при ее изготовлении.
Сущность полезной модели заключается во введении ряда признаков, направленных на первичное и вторичное согласование антенны по входному сопротивлению. Первичное согласование антенны обеспечивают короткозамкнутые параллельные шлейфы в виде отрезков закороченного коаксиального кабеля, расположенные внутри трубок первого и четвертого заходов спирали, и перемещаемое настроечное металлическое кольцо, закорачивающего все излучатели в подобранном при настройке месте. Вторичное согласование антенны обеспечивают размещенные внутри крышки основания антенны элементы фидерного тракта: трансформатор, шлейф и коаксиальные соединители.
При этом усиление механической прочности обеспечивается использованием металлических трубок в качестве излучателей, внутри которых размещены менее прочные коаксиальные кабели, и использованием крышки в основании антенны, снабженной средством крепления антенны на эксплуатирующем объекте (космическом аппарате), а также предназначенной для размещения внутри себя элементов фидерного тракта.
Первичное согласование проводится подбором длины отрезков коаксиальных кабелей (шлейфов), размещенных в первой и четвертой трубках излучателей и перемещением настроечного кольца, закорачивающего все четыре излучателя. После согласования сопротивления в верхней части антенны осуществляется вторичное согласование в основании антенны, точке объединения питающих кабелей, потому что даже уже согласованное сопротивление до 50 Ом после первичного согласования превращается в 25 Ом в месте параллельного соединения двух коаксиальных кабелей. После согласования антенны ее входное сопротивление становится равным 50 Ом, что соответствует волновому сопротивлению питающего кабеля. Это обеспечивает минимальные потери мощности сигнала в антенне.
Таким образом, введенные новые существенные признаки:
- форма вытянутого цилиндра,
- размещение кабелей в металлических трубках, являющихся излучателями,
- использование в качестве короткозамкнутых шлейфов отрезков коаксиальных кабелей, подбираемой при настройке длины и закораченного металлического настроечного кольца, которое можно перемещать при настройке,
- использование средств вторичного согласования антенны в области основания в месте соединения с внешним питающим кабелем
позволяют провести оптимальное согласование входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением питающего кабеля, подводимого к антенне в месте ее установки, и обеспечивают высокую механическую прочность, позволяющую надежное использование на движущихся объектах, в частности на космических аппаратах.
Использование вдоль всего каркаса антенны крепежных колец из диэлектрика, прижимающих излучатели к каркасу, фиксаторов в точке запитки и использование в основании антенны металлической крышки в виде стакана, позволяющей размещать внутри себя элементы фидерного тракта, включая средства вторичного согласования антенны, и размещение на этой крышке средства крепления антенны на эксплуатирующем объекте, дополнительно повышают механическую прочность антенны.
Перечень графических фигур
Фиг. 1. Конструкция приемо-передающей спиральной антенны
Фиг. 2. Схема соединения коаксиальных кабелей и параллельных шлейфов на макушке антенны
Фиг. 3. Размещение элементов фидерного тракта в крышке основания антенны
Осуществление полезной модели.
Приемо-передающая спиральная антенна состоит из излучателей, выполненных из медных трубок 1, 2, 3, 4 в виде четырехзаходной спирали, размещенной на корпусе 5 цилиндрической формы (Фиг. 1). Трубки второго и третьего заходов спирали (2, 3) содержат внутри себя питающие коаксиальные кабели, причем неодинаковой длины, разность которой обеспечивает фазовый сдвиг на 90 град в ортогональных заходах спирали. В трубках первого и четвертого заходов (1, 4), ближе к верхушке каркаса, размещены отрезки закороченного коаксиального кабеля в виде короткозамкнутых параллельных шлейфов. Трубки 1, 2, 3, 4 зафиксированы на поверхности каркаса несколькими кольцами 6 из диэлектрического материала, например из стеклотекстолита. В нижней части антенны расположено металлическое кольцо 7 (например, медное), которое электрически закорачивает трубки в месте своей установки. Основание антенны закрыто металлической крышкой 8 в форме стакана (выполненной, например, из алюминиевого сплава), внутри которого размещены элементы фидерного тракта, включая средства вторичного согласования с внешним устройством.
В верхней части антенны металлические трубки 1, 2, 3, 4 изогнуты и размещены на верхней плоскости цилиндрического каркаса 5 в форме условного креста (Фиг. 2), в центре которого установлены концы всех четырех кабелей и выполнено (например, пайкой) соединение: центрального провода коаксиального кабеля 9 и центрального провода короткозамкнутого параллельного шлейфа 10, расположенных в трубках 2 и 4 соответственно, и центрального провода коаксиального кабеля 11 и центрального провода короткозамкнутого параллельного шлейфа 12, расположенных в трубках 3 и 1 соответственно. Экраны питающих кабелей 9 и 11 припаяны соответственно к трубкам 2 и 3, а экраны отрезков согласующих кабелей (параллельных шлейфов) 10 и 12 припаяны соответственно к трубкам 4 и 1, внутри которых они проложены. Центральный провод каждого из питающих коаксиальных кабелей 9 и 11 соединен с соответственным ему экраном короткозамкнутого параллельного шлейфа, а центральные проводники 10 и 12, в свою очередь припаяны к трубкам 2 и 3 соответственно. Между центральными проводниками пар кабелей 9 10 и 11, 12 расположены фиксаторы 13 из диэлектрического материала - полиимида для разделения и изоляции друг от друга пар питающий кабель - шлейф.
На фиг. 3 показано размещение элементов фидерного тракта в крышке основания антенны. Крышка 8 основания антенны изготовлена из алюминиевого сплава и служит для размещения в ней элементов фидерного тракта: питающих кабелей 9, 11, коаксиальных соединителей 14, трансформатора 15, шлейфа 16, а также для защиты фидерного тракта от вредного воздействия космического излучения. Кабель 17 с коаксиальным соединителем 18 служат для соединения антенны с внешним устройством.
Настройку антенны производят следующим образом.
1. Подбирают расположение закорачивающего кольца 7 для достижения нормированной проводимости, равной единице, в точке запитки пары излучателей 2 и 4.
2. Изменением длины согласующего короткозамкнутого шлейфа 10 добиваются компенсации реактивности в точки запитки. При этом КСВ на конце кабеля 9 близок к единице.
3. Настраивают пару излучателей 3 и 1 изменением длины согласующего короткозамкнутого шлейфа 12 (аналогично п. 2), при этом КСВ на конце кабеля 11 также близок к единице.
4. Настраивают проводимость до нормированного значения, равного двум, в точке соединения питающих кабелей 9 и 11 с помощью трансформатора 15 и шлейфа 16 по методу Татаринова (метод описан в книге «Антенны. Г.Б. Белоцерковский. Государственное научно-техническое издательство Оборониздат, Москва, 1962, стр. 73»).
Таким образом, конструктивное решение приемо-передающей спиральной антенны метрового диапазона, благодаря наилучшему согласованию входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением питающего кабеля, позволяет достигнуть высокого КПД. При этом обеспечена возможность исполнения с малыми габаритными размерами, соответствующими заданным размерам посадочного места на объекте и достаточной механической прочностью для работы на космических аппаратах.