СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА
ULTRA-WIDEBAND SPIRAL ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике, а именно к спиральным антеннам, работающим в непрерывном диапазоне ультравысоких (УВЧ) и сверхвысоких (СВЧ) частот в составе антенных систем различного назначения, в частности в системах пеленгации и сопровождения.
При проектировании современных радиотехнических систем к антеннам обычно предъявляют требования максимальной широкополосности (перекрытие рабочего диапазона частот 20:1 и более) и минимальности габаритных размеров. Известны конструктивные решения, позволяющие обеспечить в той или иной мере выполнение указанных требований. Так в спиральных антеннах с этой целью используют различные оконечные нагрузки концов спиралей (M.W. Nurnberger and J.L. Volakis. New Termination for Ultrawide-Band Slot Spirals. Antennas Propagat. vol. 50, №0.1. Jan. 2002) или, например, наружный виток плоской двухзаходной спирали выполняют в виде линии задержки путем придания ему зигзагообразной формы (патент РФ 2565524).
Известна спиральная антенна (патент РФ 2620766), содержащая полусферическую и плоскую спирали, поглотитель, основание, симметрирующее устройство и корректор в виде диэлектрического кольца, соосного с полусферической спиралью и расположенного снаружи в нижней части ее витков, при этом на внешней поверхности кольца закреплены дополнительные витки спирали, верхние концы которых контактно соединены с нижними концами полусферической спирали. Установка дополнительного диэлектрического кольца с витками спирали улучшает радиотехнические характеристики (РТХ) антенны в области нижних частот, расширяя ее рабочий диапазон, однако при этом увеличивается диаметр антенны, что может быть отмечено как ее недостаток - не решается вопрос малогабаритности.
Из известных технических решений наиболее близким по конструкции и технической сущности к заявляемой спиральной антенне является выбранная в качестве прототипа сверхширокополосная спиральная антенна (патент РФ 2422954). Антенна выполнена в виде комбинированной двухзаходной спирали, состоящей из соединенных плоской и полусферической спиралей. Внутри диэлектрического корпуса, на котором закреплена полусферическая спираль, на металлических рефлекторах плоской и полусферической спиралей установлены кольца из поглощающих материалов, верхнее и нижнее, при этом диаметр нижнего кольца равен диаметру диэлектрического корпуса. Кроме того, на обратной стороне рефлектора плоской спирали размещено обратное кольцо из поглощающего материала, обращенное своей рабочей поверхностью к рефлектору полусферической спирали. Питание антенны осуществляется согласующим симметрирующим трансформатором. Антенна сверхширокополосная и имеет малые габаритные размеры. В рабочем диапазоне частот антенна имеет хорошие РТХ, однако вблизи нижней границы диапазона и в области более низких частот уровень заднего излучения увеличен, а коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) и коэффициент усиления (КУ) носят осциллирующий характер. Это затрудняет настройку и увеличивает ошибки системы, где антенна используется.
Целью предлагаемого изобретения является расширение диапазона рабочих частот антенны в область более низких частот.
Указанная цель достигается тем, что антенна содержит 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 поглощающих материалов. При этом на обратной стороне рефлектора плоской спирали установлено обратное кольцо из поглощающего материала, обращенное рабочей поверхностью к рефлектору полусферической спирали. Согласно предлагаемому техническому решению внутри диэлектрического корпуса между поглощающим кольцом на рефлекторе полусферической спирали и обратным поглощающим кольцом на обратной стороне рефлектора плоской спирали размещено кольцо из диэлектрического материала.
На рис. 1 представлена конструкция антенны, где 1 - плоская спираль, 2 - верхнее кольцо из поглощающего материала, 3 - металлический рефлектор плоской спирали, 4 - кольцо из диэлектрического материала, 5 - нижнее кольцо из поглощающего материала, 6 - полусферическая спираль, 7 - диэлектрический корпус, 8 - обратное кольцо из поглощающего материала, 9 - согласующий симметрирующий трансформатор, 10 - металлический рефлектор полусферической спирали.
Конструкция антенны представляет собой комбинацию плоской и полусферической двухзаходных спиралей. Плоская спираль (1) выполнена в виде металлических токопроводящих ветвей, размещенных на диэлектрической пластине. Внутренние концы ветвей плоской спирали возбуждаются согласующим симметрирующим трансформатором (9); наружные концы ветвей плоской спирали соединены с внутренними концами проволочной полусферической спирали (6), закрепленной на диэлектрическом корпусе (7). Внутри диэлектрического корпуса на металлических рефлекторах (3 и 10) плоской и полусферической спиралей установлены соответственно верхнее кольцо (2) и нижнее кольцо (5) из поглощающих материалов. На обратной стороне металлического рефлектора (3) плоской спирали установлено обратное кольцо (8) из поглощающего материала. Внутри диэлектрического корпуса между поглощающим кольцом (5) на рефлекторе полусферической спирали и обратным поглощающим кольцом (8) на обратной стороне рефлектора плоской спирали размещено кольцо (4) из диэлектрического материала.
Низкий уровень заднего излучения антенны-прототипа, достигнут применением нижнего кольца из поглощающего материала, установленного на рефлекторе полусферической спирали, и обратного кольца из поглощающего материала, установленного на обратной стороне рефлектора плоской спирали. Дальнейшее расширение диапазона рабочих частот сверхширокополосной спиральной антенны в область более низких частот обеспечивается дополнительным уменьшением уровня заднего излучения и улучшением характеристик КСВН и КУ за счет более интенсивного поглощения электромагнитных полей токов, отраженных от концов ветвей полусферической спирали, вызываемого большей локализацией электромагнитных полей в диэлектрике, чем в воздухе, и увеличением электрической длины зазора между нижним и обратным кольцами из поглощающих материалов при размещении между ними шайбы из диэлектрического материала.
Ввиду того, что кольцо из диэлектрического материала размещается внутри диэлектрического корпуса антенны, ее габаритные размеры не изменяются.
Таким образом, применение в конструкции сверхширокополосной спиральной антенны кольца из диэлектрического материала, размещенного между нижним и обратным кольцами из поглощающих материалов, решает поставленную задачу и обеспечивает достижение требуемого технического результата - расширение диапазона рабочих частот антенны в область более низких частот без увеличения ее габаритных размеров.
Сверхширокополосная спиральная антенна с кольцом из диэлектрического материала, размещенного между нижним и обратным кольцом из поглощающего материала, изготовлена, проверена и используется в антенной системе пеленгатора.
Сверхширокополосная спиральная антенна работает в непрерывном диапазоне УВЧ и СВЧ с перекрытием 20:1. Использование кольца из диэлектрического материала, размещенного между нижним и обратным кольцами из поглощающих материалов, улучшило РТХ антенны в нижней части диапазона частот с перекрытием 2,5:1. Осцилляции КСВН и КУ существенно сгладились, а уровень заднего излучения уменьшился вдвое. Это позволило расширить рабочий диапазон пеленгатора в область более низких частот.