Двухканальная квадрифилярная спиральная антенна
TWO-CHANNEL QUADRIFILAR SPIRAL ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве антенны приемного устройства спутниковой навигации.
Квадрифилярные спиральные антенны (КСА) известны в антенной технике. Их можно разделить на полуволновые КСА и четвертьволновые (см. Патент США №4008479, 1977 и Патент США №5138331, 1992). Эти антенны состоят из четырех спиральных излучателей, которые расположены с угловым сдвигом на 90 градусов друг относительно друга вокруг оси симметрии и электрически соединены в верхней точке. Спиральные излучатели обычно выполняются в виде изогнутых по спирали металлических проводников.
Особенностью КСА является связь ее размеров с условием резонанса, который достигается для полуволновой КСА при длине спирального излучателя, близкой к половине длины волны в свободном пространстве, а для четвертьволновой КСА - при длине ее излучателя, равной четверти длины волны в свободном пространстве.
0
Оба типа КСА включают в свой состав схему питания, которая в передающем режиме обеспечивает возбуждение спиральных излучателей со сдвигом фазы на 90 градусов друг относительно друга. Такое возбуждение необходимо для работы с волнами с круговой поляризации поля. Некоторые типы полуволновых КСА не имеют отдельной схемы возбуждения. В этом случае соседние спиральные излучатели, сдвинутые в пространстве друг относительно друга на 90 градусов, настраиваются на разные частоты, отличающиеся от центральной частоты рабочего диапазона ƒ. При этом сами спиральные излучатели имеют разные длины. При таком способе возбуждения КСА хорошие поляризационные параметры - такие, как коэффициент эллиптичности (КЭ) - удается получить в диапазоне частот, существенно меньшем, чем диапазон согласования антенны. Таким образом, оптимальные условия функционирования имеют КСА со специальными схемами питания. В этом случае КЭ, близкий к единице, достигается в широкой полосе частот, которая может быть равной или даже превышать полосу частот по согласованию.
Одним из основных достоинств КСА является направленность излучения, которая обусловлена формой диаграммы направленности (ДН) КСА, близкой к кардиоиде. Благодаря этому свойству параметры КСА слабо зависят от объекта, на котором она устанавливается. Это выгодно отличает ее, например, от нашедших широкое применение печатных антенн (Т. Haddrell, J P. Bickerstaff, M. Phocas. Realisable GPS Antennas for Integrated Hand Held products. ION GNSS 18th International Technical Meeting of the Satellite Division, 13-16 September 2005, Long Beach, CA).
Особенно важна направленность излучения при использовании КСА в качестве элемента аппаратуры летающего объекта. Такие объекты обычно выполняют из металла, и они имеют вытянутую цилиндрическую форму. Параметры ненаправленной антенны могут весьма сильно искажаться присутствием массивного металлического цилиндра. В ДН возникают глубокие провалы. Подобные искажения существенно ограничивают возможности навигационных систем летающих объектов, в которых используются печатные излучатели.
Важной особенностью функционирования навигационных систем летающих объектов является необходимость обеспечения их эффективной работы на всех участках траектории, которая имеет восходящий, горизонтальный и нисходящий участки (см. фиг. 1).
На восходящем и нисходящем участках требования к оптимальной ДН антенны приемной навигационной аппаратуры противоположны, поскольку на восходящем участке она должна быть ориентирована в направлении движения объекта, а на нисходящем участке - в противоположном направлении. Удовлетворить этим требованиям при помощи одной антенны практически невозможно. Поэтому известно техническое решение в виде двухканальной антенны (Патент США №8098197).
Такая антенна устанавливается в носовой части летающего объекта. Она имеет два канала и, соответственно, два входа/выхода. При возбуждении антенны по одному из входов она излучает в направлении «вперед», а при возбуждении по другому входу - в направлении «назад». Схема питания может содержать также коммутатор сигналов, который на восходящем участке траектории включает режим излучения «вперед», а на нисходящем -режим излучения «назад». Возможен также режим параллельной работы, в котором одновременно используются оба входа антенны.
В качестве излучателя в данном техническом решении используется объемный диэлектрический резонатор, имеющий два ортогональных колебания. При возбуждении одного из них антенна имеет ДН, ориентированную в направлении «вперед» по правой круговой поляризации (рабочей поляризации в спутниковой навигации). При возбуждении другого колебания ДН меняет свою форму таким образом, что ее максимум по той же поляризации ориентирован в направлении «назад».
Характерной чертой данного технического решения является то, что антенна в виде объемного диэлектрического резонатора имеет слабую направленность. Поэтому наряду с волнами рабочей поляризации она излучает/принимает волны ортогональной левой круговой поляризации, которую принято называть кросс-поляризацией. Такая антенна может создать направленную ДН только по одной (рабочей) поляризации. При этом по кросс-поляризации ее излучение ориентировано в противоположном направлении и может иметь достаточно высокую интенсивность. В результате суммарная ДН по мощности (по вектору Пойнтинга) оказывается слабонаправленной. Низкая направленность антенны не позволяет в полном объеме использовать положительный эффект от переключения каналов при работе на восходящем и нисходящем участках траектории летательного аппарата. По этой причине КСА, которые, как отмечено выше, имеют направленную ДН по мощности, перспективны для применения на летающих объектах, особенно это относится к малогабаритным четвертьволновым КСА.
Особенностью малогабаритных четвертьволновых антенн является относительно низкое входное сопротивление (Патент США №5138331, 1992) которое существенно меньше стандартного сопротивления в 50 Ом. В КСА (Патент РФ №2395877) для увеличения входного сопротивления используют спиральные излучатели специального вида. Антенна содержит четыре спиральных излучателя, расположенные с угловым сдвигом на 90 градусов друг относительно друга вокруг оси симметрии и схему питания, которая имеет четыре сигнальных выхода и общий проводник, каждый спиральный излучатель выполнен в виде одного центрального и двух одинаковых боковых проводников, центральные проводники соединены с сигнальными выходами схемы питания, а боковые проводники соединены с общим проводником схемы питания, противоположные концы центрального и боковых проводников соединены друг с другом.
Нагрузка спирального излучателя в виде входа схемы питания подключена только к одному из трех проводников и, следовательно, потребляет лишь часть общего тока, текущего по спиральному излучателю. Уменьшение тока при постоянстве напряжения эквивалентно повышению входного сопротивления. Данное техническое решение является наиболее близким к предлагаемой КСА.
Недостатком прототипа является низкий коэффициент усиления (КУ) в заданном направлении при произвольной ориентации антенны в пространстве.
Снижение КУ обусловлено направленностью излучения КСА. КУ в зависимости от угла места θ, который отсчитывается от оси КСА, меняется от максимального значения близкого к 4-5 дБ до минимального значения, которое может находиться в диапазоне - (35-40) дБ. Указанный угол при произвольной ориентации антенны может принимать произвольное значение от 0 до 180°. Соответственно, при этом снижение КУ относительно максимальной величины может достигать 40-45 дБ, что недопустимо с точки зрения функционирования большинства радиоэлектронных систем и, в частности, навигационных систем.
Задача двухканальной квадрифилярной спиральной антенны является повышения коэффициента усиления в заданном направлении при произвольной ориентации антенны в пространстве.
Техническим результатом является расширение рабочего диапазона углов места антенны до полного диапазона 0-180°.
Также техническим результатом является повышение отношения сигнал/шум на выходе антенны при работе в приемном режиме.
Технический результат достигается за счет того, что схема питания выполнена в виде двух противофазных делителей мощности на два канала и квадратурного моста, боковые плечи противофазных делителей мощности на два канала образуют сигнальные выходы схемы питания, причем боковые плечи каждого из противофазных делителей мощности на два канала сдвинуты вокруг указанной оси симметрии на 180 градусов, центральные плечи делителей мощности на два канала соединены с выходами квадратурного моста, а его входы образуют входы двухканальной квадрифилярной спиральной антенны.
Возможен дополнительный вариант выполнения двухканальной КСА, в котором схема питания выполнена в виде многослойной микрополосковой платы, которая содержит первый и второй диэлектрические слои, сигнальные проводники противофазных делителей мощности и квадратурного моста, сигнальные проводники противофазных делителей мощности расположены на внешней поверхности первого диэлектрического слоя, общий проводник расположен между внутренними поверхностями первого и второго диэлектрических слоев, а сигнальные проводники квадратурного моста расположены на внешней поверхности второго диэлектрического слоя, центральные плечи противофазных делителей мощности соединены с выходами квадратурного моста при помощи межслойных соединений.
Вариант выполнения квадрифилярной антенны представлен на фиг. 2, где показан общий вид квадрифилярной антенны. Она состоит из спиральных излучателей 1 и схемы питания 2. Каждый спиральный излучатель выполнен из одного центрального проводника 3 и двух боковых проводников 4. Схема питания 2 имеет четыре выхода 5, содержащих сигнальные проводники и общий проводник 6 (земля).
Пример топологии микрополосковой платы показан на фиг. 3. Схема питания 2 выполнена в виде многослойной микрополосковой платы, которая содержит первый и второй диэлектрические слои 7, 8, сигнальные проводники противофазных делителей мощности 9, 10 и квадратурного моста 11, сигнальные проводники противофазных делителей мощности 9, 10 расположены на внешней поверхности первого диэлектрического слоя 7, общий проводник 6 расположен между внутренними поверхностями первого и второго диэлектрических слоев 7, 8, центральные плечи противофазных делителей мощности соединены с выходами квадратурного моста при помощи межслойных соединений 12, спиральные излучатели 1 расположены на внешней поверхности первого диэлектрического слоя 7, причем ось симметрии перпендикулярна указанной поверхности. В схеме использованы синфазные делители мощности с отношением деления 1:1 и фазосдвигатели на отрезках микрополосковых линий передачи. Применение фазосдвигателей обеспечивает сдвиг фаз между напряжениями в выходных каналах на 180 градусов, а использование синфазных равноамплитудных делителей мощности обеспечивает одинаковые амплитуды указанных выше напряжений.
Сигнальные проводники квадратурного моста 11 расположены на внешней поверхности второго диэлектрического слоя 8. В реализации, представленной на фиг. 3, квадратурный мост выполнен в виде трехдецибельного шлейфного направленного ответвителя. Он имеет четыре входа/выхода. Два из них соединены через межслойные соединения 12 с центральными плечами противофазных делителей мощности. Два свободных плеча квадратурного моста 13 образуют входы двухканальной КСА.
1
2
Спиральные излучатели 1 также могут быть выполнены в виде гибкой печатной платы. Пример такой платы показан на фиг. 4. Из фиг. 4 видно, что центральный проводник 3 и боковые проводники 4, формирующие спиральный излучатель 1, имеют разную ширину w и w.
В отличие от схемы питания 2 гибкая плата со спиральными излучателями (смотри фиг. 4) выполняется на основе тонкой диэлектрической подложки. Ее толщина t выбирается в пределах 0.1-0.5 миллиметров так, чтобы обеспечить механическую прочность антенны. Возможно, дополнительное применение достаточно толстых каркасов толщиной до 5 мм. В этом случае толстый слой диэлектрика влияет на выходные параметры антенны, в частности, снижает ее частоту. Это может быть использовано для уменьшения габаритов антенны.
В силу взаимности антенны ее работу можно рассматривать как в приемном, так и в передающем режимах. В данном случае удобнее рассмотреть функционирование антенны в передающем режиме.
Структура схемы питания 2 показана на фиг. 5. Она содержит квадратурный мост (КМ) и делители мощности Д1 и Д2. Схема питания имеет входы/выходы 1-6 (на фиг. 5 номера входов/выходов показаны в кружках). Пусть на один из входов схемы питания, например на вход 5, которому соответствует одно из свободных плеч квадратурного моста 13, поступает волна от СВЧ генератора. Свободные плечи 13 квадратурного моста KB развязаны. Поэтому мощность волны делится поровну между двумя его внутренними плечами, соединенными с делители мощности Д1 и Д2. При этом между выходными сигналами имеется сдвиг по фазе, равный 90 градусов. При подаче сигнала на вход 5 фаза на левом внутреннем плече квадратурного моста может быть условно принята равной нулю. Фаза сигнала на правом внутреннем плече при этом равна 90 градусам. Если сигнал подается на вход 6, фазы сигналов на внутренних плечах квадратурного моста КМ (показаны на фиг. 5 в скобках) меняются местами: на левом плече фаза равна 90 градусов, а на правом нулю.
1-4
Противофазные делители мощности Д1, Д2 осуществляют деление сигнала поровну и создают дополнительные сдвиги между фазами в боковых плечах, как показано на фиг. 5. Нетрудно видеть, что при подаче сигнала на вход 6 фазы на выходах схемы питания 2 - ϕ имеют следующие значения:
1-4
ϕ=0, 270, 180, 90°,
а при подаче сигнала на вход
1-4
ϕ=90, 180, 270, 0°.
На фиг. 6 а, б показаны распределения фаз на выходах схемы питания 2 при возбуждении входов 6 и 5 (фиг. 6а и 6б соответственно). Видно, что фаза в первом случае нарастает по часовой стрелке, а во втором случае - против часовой. При этом КСА имеет разные характеристики излучения.
На фиг. 7 показана расчетная ДН (зависимость КУ от угла) КСА по полной мощности при ее возбуждении по входу 6. На фиг 8 показана расчетная ДН КСА по правой круговой поляризации, которая используется в системах спутниковой навигации. Угол θ отсчитывается от оси 0z, совпадающей с осью симметрии КСА, как показано на фиг. 9.
На фиг. 10 и 11 показаны расчетные ДН КСА по полной мощности и по круговой поляризации соответственно при возбуждении ее по входу 5. Видно, что антенна при работе по входу 6 имеет максимум КУ в направлении θ=180°, то есть в направлении «назад». При возбуждении по входу 5 ориентация ДН меняется на противоположную с максимумом КУ в направлении «вперед».
Таким образом, КСА имеет выраженную направленность. Направленность можно характеризовать отношением интенсивностей излучения в требуемом направлении к интенсивности излучения в противоположном направлении (front to back ratio, FBR). На основании фиг. 7, 8 и фиг. 10, 11 можно сделать вывод, что параметр FBR для представленного примера КСА по полной мощности близок к 10 дБ, а по рабочей поляризации он близок к 45 дБ.
Проектирование противофазных делителей мощности и квадратурного моста можно проводить по известным методикам. Основным критерием качества при этом является хорошее согласование входов 5,6 (см. фиг. 5). На фиг. 12 показана частотная характеристика модуля коэффициента отражения в децибелах для КСА со схемой питания 2, выполненной на подложке из стеклотекстолита (относительная диэлектрическая проницаемость 4.4) толщиной 1 мм. Кривая 1 соответствует входу 6, а кривая 2 - входу 5. Видно, что коэффициент отражения имеет глубокий минимум на частоте 1.59 ГГц, являющейся центральной частотой диапазона L1 спутниковых навигационных систем. Полоса частот, в которой коэффициенты отражения имеют значения ниже уровня - 10 дБ, равна 75 МГц, что позволяет принимать сигналы от всех четырех функционирующих в настоящее время навигационных систем: GPS, ГЛОНАС, Galileo, Baidou.
На фиг. 13 представлена фотография изготовленного образца КСА. На фиг. 14, 15 показаны нормированные ДН, экспериментально полученные для этого образца. На фиг. 14 представлена ДН в режиме излучения «вперед», а на фиг. 15 - в режиме излучения «назад». Небольшие искажения симметрии диаграмм обусловлены погрешностями измерения, влиянием питающих кабелей, форма которых меняется при изменении пространственного положения модели в процессе измерений, и тому подобными причинами.
Видно, что возможность работы по двум входам может повысить КУ антенны в требуемом направлении при произвольной ее ориентации в пространстве. Например, пусть углом места θ=0 задано направление, в котором требуется обеспечить максимальный КУ. При ориентации КСА, показанной на фиг. 9, она обеспечивает значение КУ=4 дБ при использовании входа 5. Если КСА разворачивается на 180°, то включение входа 6 вместо входа 5 также обеспечивает максимально возможный для данного типа антенн уровень КУ=4 дБ. В промежуточных положениях будет иметь место снижение КУ, но на величину не более 4 дБ.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о том, что заявляемая двухканальная квадрифилярная спиральная антенна решает поставленную задачу повышения коэффициента усиления на 30-35 дБ в заданном направлении при произвольной ориентации антенны в пространстве.
Положительный технический результат, достигаемый за счет применения двухканальной квадрифилярной спиральной антенны, состоит в расширении рабочего диапазона углов места антенны вплоть до полного диапазона 0-180°, что позволяет использовать ее в составе навигационной системы летающего объекта со сложной траекторией полета. Также достигается повышение в приемном режиме на 30-35 дБ отношения сигнал/шум на выходе антенны при произвольной ее ориентации в пространстве и заданном направлении на источник полезного сигнала.