СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА
HELICAL ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике, в частности к широкополосным спиральным антеннам, работающим в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) в составе антенных систем различного назначения, используемых в системах пеленгации и сопровождения.
В современных радиотехнических системах антенны обычно должны иметь минимальные габариты и быть широкополосными. Широкополосность определяется требованиями к согласованию (коэффициент стоячей волны - КСВ), к форме и ширине диаграмм направленности (ДН) и к величине коэффициента усиления (КУ) в рабочем диапазоне частот.
Спиральные антенны достаточно широкополосны. Перекрытие рабочего диапазона частот достигает 20:1 и более и имеют большую ширину диаграммы направленности, что обеспечивает требуемые широкие секторы обзора пространства, однако их КУ существенно зависит от конструкции и у широкополосных антенн оказывается малым (менее 2 дБи).
Широко используемые в современных радиотехнических системах пеленгации плоские двухзаходные спиральные антенны при противофазном возбуждении ветвей работают в режиме осевого излучения и одинаково излучают электромагнитную энергию в обоих противоположных направлениях, перпендикулярных плоскости спирали. Для получения однолепестковой диаграммы направленности за спиралью помещают отражающую полость. (Сверхширокополосные антенны. Под редакцией Л.С. Бененсона. Изд. «Мир», Москва, 1964, стр. 194).
Известна плоская спиральная антенна, состоящая из трех основных элементов: спирального излучателя, отражающей (поглощающей) полости и возбуждающего устройства (Горощеня А.Б. Проектирование широкополосных антенн. Учебное пособие, Омск, 1989, стр. 42). В книге дана схема построения антенны для режима осевого излучения и детально рассмотрены основные принципы конструирования. Подчеркнуто, что главной конструктивной особенностью плоских спиральных антенн является наличие отражающей (поглощающей) полости. При рабочем диапазоне частот антенны не более одной октавы отражающая полость может быть в виде цилиндрического резонатора, один из торцов которого представляет плоскую спиральную структуру, а другой - идеально проводящую стенку. Резонатор может быть полым или заполненным диэлектрическим материалом. Для расширения рабочего диапазона частот можно использовать резонатор, у которого диэлектрическая проницаемость заполняющего материала ступенчато увеличивается с ростом радиуса за счет использования набора колец с разной диэлектрической проницаемостью.
Отмечено, что наиболее эффективными способом расширения рабочего диапазона частот является замена отражающего резонатора поглощающей полостью, однако использование поглощающей полости снижает КУ спиральных антенн на 3 дБ.
Известна сверхширокополосная спиральная антенна (патент РФ №2687895), содержащая комбинированную двухзаходную спираль, состоящую из соединенных плоской и полусферической спиралей, диэлектрический корпус, внутри которого размещены согласующий симметрирующий трансформатор и металлические рефлекторы плоской и полусферической спиралей с установленными на них кольцами из радиопоглощающих материалов. При этом на обратной стороне рефлектора плоской спирали установлено обратное кольцо из радиопоглощающего материала, обращенное рабочей поверхностью к рефлектору полусферической спирали. Между радиопоглощающим кольцом на рефлекторе полусферической спирали и обратным радиопоглощающим кольцом размещено кольцо из диэлектрического материала.
Сверхширокополосная спиральная антенна работает в непрерывном диапазоне УВЧ и СВЧ с перекрытием 20:1, имеет удовлетворительные однонаправленные диаграммы с низким уровнем боковых и задних лепестков (не более 10%). Данные о КУ антенны в описании изобретения не приводятся, однако известно, что КУ данной антенны в рабочем диапазоне частот изменяется от -10 дБи до 0 дБи в нижней части диапазона и от 0 дБи до 3 дБи в его верхней части. Максимальный КУ, не превышающий 3 дБи, может рассматриваться как недостаток, присущий спиральным антеннам с поглощающими основаниями или полостями. Еще меньший коэффициент усиления антенны в нижней части диапазона частот связан с ее малогабаритностью. Диаметр антенны равен 0,17λн, где λн - длина волны, соответствующая нижней граничной частоте рабочего диапазона.
Из известных технических решений наиболее близкой по технической сущности к заявляемой спиральной антенне является высокоэффективная широкополосная антенна (патент US №6,219,006 В1).
Антенна состоит из излучателя в виде двух плоских проводников, лежащих в одной плоскости и образующих плоскую двухзаходную спираль или логопериодическую структуру, или извилистую структуру и частотно-независимого отражающего основания, прилегающего к одной стороне излучателя соосно с ним и расположенного внутри металлического цилиндрического резонатора. Основание представляет собой цилиндр из диэлектрического материала с относительно высокой диэлектрической проницаемостью (10 и более) и трех взаимно перпендикулярных решеток из удлиненных диэлектрических элементов, встроенных в диэлектрический цилиндр. Удлиненные диэлектрические элементы выполнены в виде стержней, конусов и колец, имеют относительно низкую диэлектрическую проницаемость от 1 до 2 и вместе с цилиндром из диэлектрического материала образуют радиальную квазипериодическую диэлектрическую структуру. Размеры удлиненных диэлектрических элементов согласуются с радиусами излучателей и с длиной излучаемой волны, которая пропорциональна радиусу излучателя.
Антенна обеспечивает однонаправленные ДН и частотную независимость и имеет КУ на 3 дБ больше по сравнению с традиционными антеннами с поглощающими основаниями или полостями, однако никаких расчетных или экспериментальных данных по радиотехническим характеристикам антенны в описании изобретения не приводится.
Кроме того, предложенная конструкция отражательного основания антенны представляется сложной и не технологичной из-за необходимости обеспечения точного взаимного положения многочисленных цилиндров, колец и конусов внутри диэлектрического цилиндра, что может быть осуществлено лишь при использовании большого объема сложной технологической оснастки. Как недостаток может рассматриваться и способ изготовления основания, предполагающий использование технологий формования керамических и литых диэлектрических материалов и высокотемпературное спекание.
Целью настоящего изобретения является разработка широкополосной спиральной антенны с увеличенным коэффициентом усиления упрощенной конструкции и повышенной технологичностью изготовления.
Указанная цель достигается тем, что спиральная антенна содержит плоскую печатную спиральную плату, согласующий симметрирующий трансформатор и металлический цилиндрический резонатор с диэлектрическим заполнением. Резонатор заполнен набором плоских диэлектрических дисков с относительно высокой диэлектрической проницаемостью, причем в дисках выполнены отверстия, кольцевые и радиальные клиновидные щели, которые после укладки дисков в резонатор образуют три взаимно перпендикулярные решетки полостей в виде полых цилиндров, колец и радиальных клиньев.
На рис. 1 изображена конструкция спиральной антенны, где 1 - плоская спиральная плата, 2 - согласующий симметрирующий трансформатор, 3 - металлический цилиндрический резонатор, 4 - набор плоских диэлектрических дисков с отверстиями и с кольцевыми и радиальными клиновидными щелями.
На рис. 2 изображены диэлектрические диски с отверстиями и с кольцевыми и радиальными клиновидными щелями, где 1 - плоский диэлектрический диск, 2 - отверстия, 3 - кольцевые щели, 4 - радиальные клиновидные щели.
Диаметры отверстий и ширина кольцевых и радиальных клиновидных щелей согласованно изменяются с изменением расстояния до центра дисков.
Число вариантов исполнения дисков и их количество в резонаторе может быть любым, но при этом должно обеспечиваться квазипостоянство эффективной диэлектрической проницаемости при изменении угла поворота вокруг вертикальной оси антенны.
После укладки дисков в металлический цилиндрический резонатор отверстия, кольцевые и радиальные клиновидные щели образуют три взаимно перпендикулярные решетки полостей в виде полых цилиндров, колец и радиальных клиньев. Решетки могут быть заполнены другим диэлектрическим материалом с относительно низкой диэлектрической проницаемостью или не заполнены совсем. В итоге, в металлическом цилиндрическом резонаторе образуется радиальная квазипериодическая диэлектрическая структура, которая за счет радиального масштабирования цилиндров, колец и радиальных клиньев плавно изменяет эффективную диэлектрическую проницаемость материала, заполняющего резонатор, согласованно с изменением расстояния до центра резонатора и с длиной волны, излучаемой антенной. Это делает постоянным «электрическое» четвертьволновое (в долях длины волны) расстояние между излучающими витками (активной зоной) плоской спирали и дном резонатора, в результате чего обеспечиваются однонаправленность излучения и широкополосность антенны в несколько октав.
Ввиду того, что в конструкции резонатора не используются радиопоглощающие материалы, КУ антенны увеличен на 3 дБ по сравнению с КУ спиральных антенн с поглощающими основаниями или полостями.
Заполненный таким образом резонатор обеспечивает спиральной антенне широкополосность и увеличенный КУ.
Такой резонатор прост в изготовлении. Диски могут изготавливаться механически или лазерным фрезерованием, а для их укладки практически не требуется какая-либо оснастка, что значительно повышает технологичность изготовления антенны.
Для подтверждения увеличенного КУ проведено электродинамическое моделирование антенны в ANSYS HFSS. В резонаторе антенны размещались 8 диэлектрических дисков из материала с диэлектрической проницаемостью равной 25 с выполненными в них отверстиями и кольцевыми и радиальными клиновидными щелями. Диаметр антенны - 0,4λн, высота (без выходного разъема) - 0,04λн. Антенна имеет удовлетворительные однонаправленные ДН. График расчетных значений КУ в диапазоне частот с перекрытием 6:1 представлен на рис. 3. КУ антенны изменяется от 4 до 8 дБи, среднее значение КУ составляет 6 дБи, что в среднем на 3 дБ больше коэффициента усиления спиральных антенн с поглощающими основаниями или полостями.
Таким образом, использование в конструкции резонатора плоской спиральной антенны плоских дисков из диэлектрического материала с относительно высокой диэлектрической проницаемостью с выполненными в них отверстиями и кольцевыми и радиальными клиновидными щелями решает поставленную задачу - разработана широкополосная спиральная антенна с увеличенным КУ, с упрощенной конструкцией и повышенной технологичностью изготовления.