Многовитковое устройство с эллиптической и круговой поляризацией излучения

Полезная модель относится к области электротехники и связи и может быть использована в системах связи метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов длин волн, в частности в отражателях зеркальных радиотелескопов и т.п.
Современный уровень развитие техники в данной области характеризуется широким использованием многоканальных устройств с эллиптической и круговой поляризации излучения.
1
ср
ср
Известно устройство с эллиптической и круговой поляризацией излучения, состоящее из активной цилиндрической спирали, расположенной над металлическим экраном (см. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и излучающих элементов. Под ред. профессора Д.И. Воскресенского. М. Советское радио, 1972, с. 241, рис. 9.56). В таком устройстве преобладает волна тока типа T, фазовая скорость которой меньше скорости света. В указанном устройстве диаметр диска экрана принимают равным (0,9-11), а диаметр провода спирали (0,03-0,05) λ, где λ - средняя длина волны заданного диапазона (см. упомянутый источник, с. 256). Ширина диаграммы направленности устройства в силу указанных конструктивных особенностей и особенности распространения бегущей волны тока, рассчитанная по уровню половинной мощности (см. там же, с. 248) обычно не превышает 60°, что сужает область качественного приема-передачи сигналов, например, облучателей зеркальных устройств.
Такие устройства, как правило, рассчитываются с учетом вышеприведенных рекомендаций, что накладывает указанные ограничения.
Так известно устройство, содержащее однозаходную цилиндрическую спираль, установленную над металлическим экраном, коаксиальный волновод, внешний проводник которого соединен с экраном, а внутренний - с началом однозаходной цилиндрической спирали (см. а.с. СССР N 1246196, кл. H01Q 11/88, опублик. 23.07.86). Имеющаяся в известном устройстве опорная диэлектрическая труба с изменяющейся толщиной замедляет и уменьшает интенсивности бегущих волн тока, препятствуя тем самым увеличению ширины диаграммы направленности. А предлагаемый выбор традиционных соотношений для расчета конструкции, в частности, диаметра проводника спирали, не обеспечивают возможности существенного увеличения ширины диаграммы направленности.
В статье К.К.С. Джемвала и других "Анализ конструкции устройств с оптимизированным усилением для полосы частот в Х-диапазоне" рекомендуется диаметр проводника спирали выбирать равным 0,017λ), где λ-длина волны (см. K.K.S. Jamwal and Renu Vakil. Design analysis of gain-optimizedhelix antennas for X-band freguencies. // Microwave Jornal, 1985, September, p. 177-183).
Целью полезной модели является увеличения ширины ДН устройства по уровню половинной мощности, а также в получении ДН, близкой по форме переднего фронта к ДН изотропного излучателя.
Поставленная цель достигается тем, что многовитковое устройство с эллиптической и круговой поляризацией излучения, содержащее отражающий экран и расположенную над ним токопроводящую однозаходную цилиндрическую спираль, соединенную с питающим фидером, при этом диаметр d проводника этой спирали удовлетворяет соотношению
где λ длина волны, при этом число витков N, угол намотки α, длина витка l и диаметр проводника токопроводящей однозаходной цилиндрической спирали удовлетворяют соотношениям:
Для многовитковых спиральных цилиндрических устройств дециметрового диапазона минимальный диаметр проводника в долях длины волны может быть выбран 0,005 λ. Устройство, в которой используется проводник указанной толщины, выполнено в виде цилиндрической спирали, подключенной к питающему фидеру и размещенной над отражающим экраном. Минимальный рекомендуемый диаметр проводника спирали является решающим признаком при выборе указанной цилиндрической спиральной антенны в качестве прототипа.
Известное устройство является многовитковым с числом витков N больше 6  и углом намотки (подъема витка) α, изменяющемся в пределах  при длине витка, близкой к λ, и является устройством осевого излучения.
Проведенный в статье анализ известного устройства свидетельствует о том, что ширина ее ДН не превышает 60°. При этом форма диаграммы направленности существенно отличается от секторного типа, близкого по виду к диаграмме направленности изотропного излучателя, что в ряде случаев предпочтительней в технике связи.
Данным техническим решением решена задача создания многовиткового устройства с эллиптической и круговой поляризацией излучения за счет использования сверхтонких проводников в цилиндрической спирали.
Технический результат от использования предлагаемого устройства заключается в увеличении ширины ДН устройства по уровню половинной мощности, а также в получении ДН секторного вида, т.е. близкой по форме переднего фронта к диаграмме направленности изотропного излучателя.
Достижение технического результата обеспечивается тем, что цилиндрическое спиральное устройство, содержащая токопроводящую однозаходную цилиндрическую спираль, соединенную с питающим фидером и расположенную над отражающим экраном, имеет максимальный поперечный диаметр проводника d спирали, удовлетворяющий соотношению  где λ - длина волны, при этом спиральная антенна имеет следующие параметры:
где d, N, α, L соответственно диаметр проводника, число витков, угол намотки, длина витков цилиндрической спирали, а λ длина волны.
1
1
к
1
к
0,5
-4
В предлагаемом многовитковым устройстве с эллиптической и круговой поляризацией излучения реализован режим осевого излучения с эллиптической поляризацией излучения при достижении максимально широкой диаграммы направленности. Использование сверхтонких проводников цилиндрической спирали позволяет существенно увеличить ширину ДН по половинной мощности в диапазоне длин волн от метрового до сантиметрового включительно. Установлено, что для многовитковых цилиндрических спиралей с числом витков не менее 3, рассчитанных для длины волны тока типа T использование сверхтонких проводников с диаметром 1⋅10λ, и менее приводит к расширению ДН устройства, причем для диапазона  ДН сохраняет осевой вид без существенных искажений формы. Для крайних значений N(N=3,N=15), α(α=12°, α=15°) и L 1⋅λ, ширина ДН по сравнению с известными устройствами увеличивается на 25-40% а изменение при этом L от 0,7λ до 1,4λ изменяет ширину ДН на 10-12% Приводимая таблица иллюстрирует изменение ширины ДН цилиндрической антенны по уровню половинной мощности 2θ для N 3÷8, d=13≈14,5°; L (0,95≈1,1)λ от диаметра d проводника цилиндрической спирали, выраженного в долях длины волны, при этом коэффициент эллиптичности излучения не менее 0,5.
-5
На фиг. 1 схематически изображено предлагаемое устройство; на фиг. 2 диаграмма направленности устройства в сферической системе координат (кривая 1) при N 6, α=14°, L=1⋅λ, d=1⋅10λ на фиг. 3 зависимость коэффициента эллиптичности от угла наблюдения θ (кривая 2) в декартовой системе координат для устройства с указанными на фиг. 2 параметрами.
-5
-6
Следует иметь в виду, что секторная форма диаграммы направленности, изображенная на фиг. 2 сохраняется для параметров N, α, L, d, приведенных в таблице в диапазоне диаметров d=(1⋅10≈1⋅10)⋅λ, При других значениях d происходит искривление фронта ДН и вытягивание его вдоль оси.
-4
-7
Предлагаемое устройство (см. фиг. 1) содержит однозаходную цилиндрическую спираль 1 из металлического проводника диаметром d=(1⋅10-1⋅10)λ, соединенную с центральным проводником питающего фидера 2, металлический экран 3, гальванически связанный с обмоткой фидера. Проводник с целью сохранения жесткости конструкции приклеен к диэлектрическому цилиндрическому радиопрозрачному каркасу (не показан).
1
Предлагаемое устройство работает следующим образом. В запитываемой через фидер 2 цилиндрической спирали возбуждается бегущая волна тока типа T спадающей амплитуды. Амплитуда бегущей волны тока до конца второго витка равномерно уменьшается примерно в 2,5 раза, а области от конца второго витка до 0,5λ, от конца спирали уменьшается примерно в 3 раза. На расстоянии 0,5λ, от конца спирали возникает стоячая волна, амплитуда которой не превосходит амплитуду тока на конце второго витка. При этом вдоль всего проводника цилиндрической спирали от точки возбуждения до 0,5λ, от свободного конца волна тока распространяется с фазовой скоростью, почти равной скорости света. Бегущая волна тока и стоячая волна тока излучают электромагнитные волны, которые, складываясь в дальней зоне, формируют диаграмму направленности антенны. Благодаря спадающему характеру и распространению бегущей волны тока со скоростью света происходит формирование более широкой ДН, в частности ДН секторного вида. Согласно известным условиям Хансена-Вудъярда (см. например, Уолтер К.X. Антенны бегущей волны. Под ред. А.Ф. Чаплина, М. Энергия, 1970, с. 448) для формирования остронаправленного излучения необходимо, чтобы в устройстве бегущей волны существовала замедленная волна, т.е. присутствовал набег фаз. А в предлагаемом случае это условие не выполняется, поскольку в ЦС вдоль сверхтонкого проводника распространяется волна с фазовой скоростью, почти равной скорости света. Это и приводит при определенном соотношении параметров устройств к формированию ДН в виде сектора с почти равномерным излучением.
ср
ср
Экспериментально предлагаемое устройство проверено для λ 1,5 м. Величина металлического экрана при этом составляла 1,1⋅λ. Широкополосность полученной антенны 10%.