КОНФОРМНАЯ СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА
CONFORMAL SPIRAL ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве одиночной конформной спиральной антенны или в составе антенных систем различного назначения, в частности в системах пеленгации и сопровождения.
Развитие конформных антенн, т.е. полностью повторяющих форму поверхности, на которой они размещены, связано с необходимостью установки под обшивкой летательных аппаратов (ЛА) антенн с большой апертурой и антенн, работающих в диапазонах очень высоких (ОВЧ) и ультравысоких (УВЧ) частот. Конформное исполнение существенно уменьшает размеры, занимаемые антенной в условиях ограниченного объема ЛА, часто делает принципиально возможной реализацию антенны, а также может обеспечить ее пригодность для использования в качестве скрытой антенны.
Форма конформных антенн определяется, прежде всего, не электромагнитными, а аэродинамическими требованиями к летательному аппарату, на котором они размещены, и в значительной степени зависит от места установки (А.Н. Дементьев, Д.С. Клюев, Ю.В. Соколова. Расчет входного сопротивления полоскового вибратора, конформно расположенного на диэлектрическом цилиндре. Радиотехника и электроника. 2017 г. том 62, 11. с. 1061-1066).
Так на самолете конформные антенны могут размещаться в нижней части фюзеляжа и иметь конфигурацию плоских или слабоизогнутых поверхностей. В носовой части летательного аппарата конформные антенны в большинстве случаев располагаются на поверхности конуса или вытянутого тела вращения. В условиях размещения большого количества антенн и радиоэлектронных средств различного назначения иногда целесообразно и единственно возможно установить антенны в кромках крыльев, килей и т.п. Антенны при этом помещают под обтекателями, являющимися частью крыла, киля и т.п. и имеющими малый радиус кривизны поверхности на кромках. В отдельных случаях антенне придают аэродинамическую форму и устанавливают ее перед кромкой крыла или киля.
Известна едва ли не первая конформная спиральная антенна, выполненная на базе плоских архимедовых спиралей, работающих в режимах осевого и нормального излучения (Сверхширокополосные антенны. Под редакцией Л.С. Бененсона. Издательство «Мир», Москва, 1964 г., стр. 193-217). В статье указано, что основная задача заключалась в разработке легкой не выступающей антенны. Антенна устанавливалась заподлицо с поверхностью высокоскоростных летающих объектов и ее снабжали обтекателем в виде дополнительной пластинки из фибергласа для защиты от внешних воздействий. Антенна имела удовлетворительные радиотехнические характеристики (РТХ) и нормально работала при средней мощности 500 Вт. К недостаткам антенны можно отнести ее плоское исполнение, исключающее конформную установку на криволинейных поверхностях.
ниж
ниж
ниж
ниж
ниж
Размещение сверхширокополосных спиральных антенн в кромках крыльев под обтекателями встречает значительные трудности, тем более что современные высокоскоростные летательные аппараты имеют тонкие крылья и, соответственно, длинные обтекатели с малыми радиусами кривизны поверхности на кромке. Известна сверхширокополосная спиральная антенна (патент РФ №2422954), представляющая собой комбинацию плоской и полусферической двузаходных спиралей. Форма антенны близка к полусферической без выступающих за пределы излучающей структуры элементов, что позволяет удобно вписываться в аэродинамически выгодную или целесообразную с точки зрения компоновки форму летательного аппарата. Габаритные размеры антенны (относительно λ - длины волны, соответствующей нижней частоте рабочего диапазона) - диаметр 0,16λ, длина 0,12λ. Даже такую электрически малогабаритную антенну разместить под обтекателем в отсеке длиной 0,5λ и высотой 0,3λ из-за возникших значительных искажений диаграмм направленности (ДН) не удается, антенны установлены перед кромками крыльев.
ниж
ниж
Трудности еще более возрастают при размещении антенн, работающих в УВЧ диапазоне вплоть до нижнего предела, когда высота отсека в длинах волн уменьшается до 0,25λ, а диаметр антенны не может превышать 0,15λ.
Наиболее близкой к предлагаемой конформной спиральной антенне является компактная спиральная антенна (патент РФ №2582908), содержащая плоскую спираль, симметрирующее устройство в виде «бесконечного» трансформатора, поглотитель и экран, которая может изгибаться по поверхностному профилю места ее размещения. Для улучшения радиотехнических характеристик (РТХ) в антенне используются малоразмерные спиральные структуры из тонкой проволоки, а выходные концы ветвей спирали удлиняются свободными концами, выходящими за габариты антенны. Антенна имеет удовлетворительные РТХ в диапазоне УВЧ с перекрытием по частоте 10:1. Недостатками данной антенны являются, усложненная конструкция спирали из-за применения малоразмерных спиральных структур из проволоки и удлиненные концы кабелей спирали, выходящие за габариты антенны. Кроме того, изготовление профилированного поглотителя необходимой кривизны технологически достаточно сложно. В связи с этим антенне может быть придана лишь форма поверхности с большим радиусом кривизны, как у тел вращения носовой части ЛА (усеченного конуса, как указано в описании изобретения).
Целью настоящего изобретения является разработка конформной спиральной антенны, располагающейся на части поверхностей, прилегающих к кромке крыла, киля и т.п.летательного аппарата и работающей в диапазоне УВЧ вплоть до нижней частоты.
Указанная цель достигается тем, что в спиральной антенне излучатель в виде двузаходной спирали, изготовленный методом фотохимического травления гибкой плоской поверхностно металлизированной диэлектрической пластины, изгибается по форме части поверхностей, прилегающих к кромке крыла, киля и т.п., и устанавливается вместо металлической обшивки.
На рис. 1 изображена конструкция конформной спиральной антенны, где 1 - излучатель, 2 - фидер, 3 - радиопрозрачная стенка, 4 - резонатор, 5 - поглотитель.
Излучатель (1) подключен к питающему фидеру (2). От внешних воздействий излучатель защищен радиопрозрачной стенкой (3), повторяющей его форму. Роль резонатора (4) выполняет отсек крыла, киля и т.п., внутренние стенки которого закрыты поглотителем (5). Кромка и прилегающие к ней части поверхностей крыла, киля и т.п., в общем случае, могут быть частью клиновидной или цилиндрической поверхности, направляющей которой служит кривая второго порядка - эллипс, гипербола, парабола (Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. ОГИЗ. Москва, Ленинград. 1948 г., стр. 228-237) или оживальная кривая. При этом кромка крыла, киля и т.п.должна совпадать с вершинами направляющих цилиндрических поверхностей (на большой оси эллипса или на действительной оси гиперболы, или на оси параболы) или с ребрами клиновидной или цилиндрической поверхности с оживальной образующей. Радиусы кривизны направляющих в виде кривых второго порядка в их вершинах на указанных осях минимальны и равны фокальным параметрам кривых. Радиусы кривизны клиновидной и цилиндрической поверхностей с оживальной образующей на их ребрах равны нулю.
Радиусы кривизны аппроксимирующих клиновидной и цилиндрических поверхностей, переменные и минимальные на кромке крыла, киля и т.п., могут быть очень малыми по сравнению с радиусами кривизны поверхностей тел вращения, аппроксимирующих фюзеляж и носовую часть летательного аппарата.
ниж
ниж
Удовлетворительные радиотехнические характеристики предлагаемой конформной спиральной антенны и ее работоспособность вплоть до нижней частоты диапазона УВЧ обеспечиваются тем, что излучатель антенны выполнен полноразмерным. Размер излучающей структуры определяется не высотой отсека, ограничивающей возможный диаметр антенны, помещенной внутрь него, а поверхностью, огибающей этот отсек. Диаметр двузаходной спирали, равный 0,36λ, при противофазном возбуждении ветвей спирали питающим фидером достаточен для получения осевого излучения с максимумом в направлении, перпендикулярном поверхности спирали даже на нижней частоте диапазона УВЧ при максимальной высоте отсека 0,25λ. Наличие резонатора обеспечивает однолепестковые диаграммы направленности антенны.
Таким образом, разработана конформная спиральная антенна, располагающаяся на части поверхностей, прилегающих к кромке крыла, киля и т.п. летательного аппарата, и работающая в сверхширокополосном диапазоне УВЧ вплоть до нижней частоты.
ниж
ниж
ниж
ниж
Изготовлен и проверен макет конформной спиральной антенны, расположенной на части поверхностей, прилегающих к передней кромке крыла высокоскоростного самолета. Верхняя и нижняя части поверхностей крыла аппроксимировались ветвями парабол с разными фокальными параметрами: верхняя - фокальный параметр и радиус кривизны на кромке равен 0,0065λ, нижняя - фокальный параметр и радиус кривизны на кромке равен 0,0045λ. Размеры отсека крыла в месте расположения антенны - высота 0,25λ, длина 0,4λ. Макет имеет удовлетворительные
РТХ в непрерывном диапазоне УВЧ с перекрытием 6:1 и работает вплоть до нижней частоты диапазона. Антенна с успехом может использоваться в составе приемного модуля амплитудного пеленгатора.