ТРЁХДИАПАЗОННЫЙ БЛОК АНТЕНН С КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ

Полезная модель относится к устройствам радиосвязи в ВЧ и СВЧ диапазонах, точнее к области связных антенн, и может быть использована для космической связи и навигации.
Антенны, применяемые, как в космической связи, так и используемые для навигации воздушных и морских судов должны обеспечивать прием сигналов спутниковых навигационных систем с любых направлений в пределах верхней (нижней) полусферы с углами места более 3°÷5° над линией горизонта. При этом особое внимание уделяется обеспечению равномерности диаграммы направленности (ДН) таких антенн. Использование таких антенн на космических аппаратах и в мобильных средствах возможно только при минимизации их массогабаритных параметров при сохранении требуемой равномерности и ширины ДН в вертикальной плоскости. В космической навигации важную роль играет стабильность фазового центра антенн, ДН и их идентичности во всех используемых диапазонах частот, а также независимость одновременной работы на одной, двух и трех частотах.
Известен блок антенн [1], у которого техническим результатом является расширение рабочего диапазона частот с равномерной ДН. При совмещении конусных спиральных облучателей, возбуждаемых параллельно, и введении нескольких дополнительных элементов, достигается расширение полосы рабочих частот. Недостатком данной совмещенной антенны является то, что она имеет в двух участках частотного диапазона существенно различные ДН, которые в высокочастотной части становятся трехлепестковыми с глубокими провалами, что совершенно недопустимо для антенн навигационных систем. Кроме того, при углах визирования близких к горизонту ее усиление резко падает. В описании патента не оговорено угловое изменение коэффициента эллиптичности, который по оценкам резко уменьшается при углах более 45°. Известна совмещенная многовибраторная антенна [2]. Целью изобретения является многократное использование объема, занимаемого антенной, и обеспечение работы антенн в нескольких разнесенных частотных диапазонах. Для этого предлагается разместить монополь (диполь) Надененко внутри монополя (диполя) Надененко большего размера. При этом активным может являться лишь вибратор наименьшего размера. Однако такая совмещенная многодиапазонная антенна реализуема только в КВ и УКВ диапазонах. Из-за сильной связи между внешним и внутренним вибраторами и общего входа возникают значительные затруднения в их согласовании, особенно при определенных соотношениях частот различных диапазонов. ДН на разных частотных диапазонах существенно различны.
Ближайшим аналогом заявленного технического решения является блок трех квадрифилярных антенн (обеспечивающих излучение радиоволн) с круговой поляризацией [3]. Для уменьшения объема, занимаемого антеннами, высокочастотный излучатель S-диапазона размещен внутри среднечастотного L-диапазона. Антенна низкочастотного диапазона УВЧ является стандартной квадрифилярной антенной, длины ветвей которой равны половине длины волны. Четырехфазное возбуждение выполняет микрополосковая схема, расположенная в основании блока антенн. Верхние плечи спиралей закреплены на опорной диэлектрической втулке. Над этой антенной размещен объединенный блок антенн L- и S-диапазонов, входы (выходы) которых объединены общим симметрирующим устройством. Верхние концы спиральных элементов закреплены снаружи щелевого балуна. Использование блока квадрифилярных антенн с общей осью обеспечивает идентичность ДН и высокую стабильность фазовых характеристик во всех диапазонах частот. Их ДН в азимутальной и угломестной плоскостях перекрывают верхнюю (нижнюю) полусферу пространства при сохранении высоких параметров по эллиптичности. Достигнутое уменьшение габаритов трехдиапазонного блока антенн достигнуто благодаря объединению антенн L- и S-диапазонов (размещению антенны S-диапазонов внутри антенны L-диапазона) и исключению фазирующих цепей. При этом объединение выходов антенн L- и S-диапазонов на общем симметрирующем устройстве, во-первых, делает их согласование зависимым и при определенном соотношении частот даже невыполнимым, а во вторых, требует дополнения блока совмещенных антенн дуплексером, ответвляющим (суммирующим) сигналы различных частот.
Целью предлагаемого технического решения является уменьшение массогабаритных параметров трех диапазонного блока антенн для работы на нескольких разнесенных частотных диапазонах с широкими и идентичными ДН во всей верхней (нижней) полусфере при высоком качестве круговой поляризации, а также стабильности фазовых центров антенн.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид трехдиапазонного блока антенн, на фиг.2 дан вид высокочастотной верхней антенны (вид А), на фиг.3 дана схема возбуждения ортогональных плеч антенн и на фиг.4 приведено согласующее и симметрирующее устройство.
1
2
3
1
2
3
1
2
2
3
1
1j
1
ij
2
21
23
21
2
23
2
22
24
22
2
24
2
3
3j
31
33
32
34
3
3
Трех диапазонный блок антенн с круговой поляризацией, предназначен для передачи и приема когерентных сигналов. Для минимизации массогабаритных параметров блока антенн и выполнения требований к идентичности ДН всех излучателей, их фазовых и поляризационных характеристик в широком телесном угле, включающем верхнюю (нижнюю) полусферу, были выбраны следующие типы антенн: крайние антенны - квадрифилярные, а расположенная между ними антенна - турникетная, что позволило выполнить жесткие требования к их ДН, ослабить электрические связи между антеннами разных частотных диапазонов  при их одновременном функционировании. Блок антенн (фиг. 1) состоит из проводящего основания 1 и проводящей штанги 2 (возможны варианты исполнения, т.е. штанга 2 может иметь как квадратное, так и круглое сечение), на которой соосно смонтированы три резонансные антенны с четырехфазным возбуждением (0°, 90°, 180° и 270°) и идентичными ДН с круговой поляризацией для независимого излучения (приема) когерентных сигналов трех длин волн λ, λ и λ, при условии, что λ>λ>λ. При этом геометрические соотношения размеров излучающих элементов должны выбираться согласно соотношению их длин волн λ/λ=λ/λ=const. Причем нижняя (относительно основания 1) низкочастотная квадрифилярная антенна 3 с рабочей длиной волны λ имеет четыре ортогональные ветви длиной l, пары ветвей образуют соответствующие бифилярные контуры 4 и 5, средняя длина которых равна λ. Для создания квадратурного возбуждения бифилярных контуров 4 и 5 использована частотная расстройка, при которой контур 4 - длиннее резонансной длины, в то время как контур 5 - короче резонансной длины. Для каждой антенны длина ветви l, характеризуется индексами, где i = 1, 2, 3 - номера длин волн, а j = 1, 2, 3, 4 - индексы плеч этих антенн. Каждая ветвь контура 4 имеет горизонтальное верхнее плечо 6 и горизонтальное нижнее плечо 7, соединенные отрезком спирали. А каждая ветвь контура 5 имеет горизонтальное верхнее плечо 8 и горизонтальное нижнее плечо 9, соединенные отрезком спирали. Причем каждое нижнее плечо повернуто относительно верхнего плеча на угол 90°. Выбор такой конструкции позволил получить заданные параметры для ширины ДН и входного импеданса каждой бифилярной антенны. Верхние плечи 6 и 8 закреплены в диэлектрической втулке 10, а нижние плечи 7 и 9 заземлены на внешней поверхности штанги 2. Среднечастотная средняя антенна 11 турникетного типа с рабочей длиной волны λ образована скрещенными диполями. Ее пары плеч 12 и 13 развернуты по направлению к нижней антенне 3 на угол ~30° и закреплены в диэлектрической втулке 14. Причем роль рефлекторов этой антенны выполняют соответствующие верхние плечи нижней антенны 3, т.е. паре плеч 12 соответствует пара плеч 6 нижней антенны 3 и паре плеч 13 соответствует пара плеч 8 нижней антенны 3. Для формирования четырехфазного возбуждения, использована частотная расстройка ортогональных диполей: относительная длина пары плеч 12 - больше резонансной, а длина пары плеч 13 - меньше резонансной, что позволило исключить фазирующее устройство. Для осуществления возбуждения с требуемыми фазовыми сдвигами одна пара плеч турникетной антенны l=l имеет относительную длину l(0°)/λ=l(180°)/λ≈0,23÷0,24, а другая пара плеч l=l имеет относительную длину l(90°)/λ=l(270°)/λ≈0,26÷0,27. Высокочастотная верхняя квадрифилярная антенна 15 (фиг.2) с рабочей длиной волны λимеет четыре ортогональные ветви каждая длиной l. Пары ветвей l=lобразуют бифилярный контур 16, пары ветвей l=lобразуют бифилярный контур 17, причем средняя длина контуров равна λ. Для создания квадратурного возбуждения этих контуров была использована частотная расстройка, при которой контур 16 - длиннее резонансной длины λ, в то время как контур 17 - короче резонансной длины. Каждая ветвь контура 16 имеет горизонтальное верхнее плечо 18 и горизонтальное нижнее плечо 19, соединенные отрезком спирали. А каждая ветвь контура 17 имеет горизонтальное верхнее плечо 20 и горизонтальное нижнее плечо 21, которые соединены отрезком спирали. Причем каждое нижнее плечо повернуто относительно верхнего плеча на угол 90°. Выбор такого угла позволяет получить заданные параметры: ширины ДН и входного импеданса для каждой бифилярной антенны. Верхние ортогональные плечи 18 и 20 закреплены в диэлектрической втулке 22, а нижние ортогональные плечи 19 и 21 электрически соединены с симметрирующем устройством антенны, выполненном в виде четвертьволнового коаксиального проводящего короткозамкнутого (КЗ) стакана 23 (балуна), который установлен вдоль оси штаги 2 и закреплен в торце диэлектрической втулки 14. Каждая из трех антенн блока имеет симметричный вход (выход), соединенный с соответствующим коаксиальным кабелем 24, каждый из которых проложен и закреплен в штанге 2, а в нижней ее части подсоединен к соответствующему (одному из трех) разъему 29. Образец соединения симметричных входов антенн, закрепленных в диэлектрических втулках, с коаксиальным кабелем дан на фиг. 3 (на примере нижней антенны 3). Одна пара соседних плеч 6 и 8 с коническими наконечниками припаяна к верхней кромке оплетки 31 кабеля 24. Другая пара соединена перемычкой 32, к которой припаян центральный проводник 30 кабеля 31. Причем симметрирующем устройством для антенны 15 будет стакан 23, для антенны 11 - стакан 25, который закреплен на торце штанги 2 и верхним концом входит в диэлектрическую втулку 14 и для антенны 3 - стакан 26, который установлен в штанге 2. Для электрического укорочения каждого четвертьволнового КЗ стакана его внутренний объем частично заполнен диэлектриком (фторопластом). Для каждой из антенн (3, 11, 15) соответствующий ей КЗ стакан (26, 25, 23) имеет настроечный элемент (Фиг. 4, на примере антенны 15), выполненный в виде перемещающейся по внешней поверхности стакана 23 проводящей втулки 27, у которой болт 34 фиксирует положение проводящей разрезной втулки 33 в точке резонанса. Втулка 33 замыкает внутреннюю поверхность стакана 23 с оплеткой 31 кабеля 24. Болты 34 имеют ограничители, которые допускают продавливание оплетки каждого кабеля в месте фиксации настроечного элемента на толщину около 0,3 мм, что повышает надежность контакта.
Предложенная конструкция трех диапазонного блока антенн с круговой поляризацией по совокупности признаков обладает новизной, что позволило достичь заявленный положительный эффект.
Источники литературы
1. Лисенков С.А., Лукин В. Ф. «Совмещенное антенное устройство», Патент РФ № 2527195, 2014.
2. Кабетов Р.В., Каланчин Н.А., «Совмещенная многовибраторная антенна», Патент РФ № 2525742, 2014.
3. Xudong Bai, Jingjing Tang, Xianling Liang. «Compact Design of Triple-band Circulary Polarized Quadrifilar Helix Antennas». IEEE Antennas and wireless propagation leters, pр. 380-383, vol 13. 2014.