Малогабаритная сверхширокополосная спиральная антенна
SMALL-SIZED ULTRA-BROAD-BAND SPIRAL ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике, а именно к спиральным антеннам, работающим в диапазоне ультравысоких (УВЧ) и сверхвысоких (СВЧ) частот в составе антенных систем различного назначения.
В современных радиотехнических системах пеленгации и сопровождения 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 ДН, что обеспечивает требуемые широкие секторы обзора пространства, однако их КУ существенно зависит от конструкции и у сверхширокополосных антенн может оказаться малым, особенно в нижней части рабочего диапазона частот малогабаритных антенн.
Наиболее распространенный вид сверхширокополосных спиральных антенн - плоские спиральные антенны, в которых для получения однолепестковой ДН за спиралью помещают отражающую полость или рефлектор. Для уменьшения габаритных размеров антенны и достижения максимальной широкополосности пространство между спиралью и дном отражающей полости или рефлектором заполняют диэлектрическими материалами. При этом заполнение может быть полным или в виде кольцеобразных диэлектрических вставок из материалов с разной диэлектрической проницаемостью (Сверхширокополосные антенны. Под редакцией Л.С. Бененсона. Изд. «Мир», Москва, 1964, стр. 194, 247, 248).
ниж
Известна широкополосная малогабаритная антенна с замедлением (патент US N 6.137.453), состоящая из трех основных элементов: диэлектрической подложки, структуры бегущей волны, расположенной на одной поверхности подложки, и проводящей поверхности (рефлектора), установленной на противоположной поверхности подложки. Структура бегущей волны относится к классу частотно-независимых структур: логопериодических, синусных или спиральных, таких как, например, спираль Архимеда. Возбуждение структуры бегущей волны осуществляется линией питания, проходящей через диэлектрическую подложку и рефлектор. В описании изобретения отмечается, что антенна с замедлением - плоская, но может иметь и не плоскую форму, чтобы обеспечить ее монтаж на любой гладкой изогнутой поверхности. При этом структура бегущей волны и рефлектор должны располагаться параллельно друг другу с не плоской диэлектрической подложкой постоянной толщины между ними. Диэлектрическая проницаемость диэлектрической подложки может быть меньше 2,5 и больше 5. Диэлектрическая подложка может состоять из любого количества диэлектрических слоев с плавным или ступенчатым изменением диэлектрической проницаемости от больших значений к меньшим в направлении от структуры бегущей волны к рефлектору. Возможно и другое расположение слоев с теми или иными значениями диэлектрической проницаемости с целью получения нужных характеристик антенны. Конкретные данные о радиотехнических характеристиках антенны, соотношение между основными параметрами и размерами в описании изобретения отсутствуют или очень ограничены. Так, коэффициент усиления (КУ) антенны, диаметром один дюйм и имеющей коэффициент замедления равный 4, в диапазоне частот 1-2 ГГц в среднем почти на 20 дБ выше, чем у антенны того же диаметра без замедления (т.е. без диэлектрической подложки). Из других радиотехнических характеристик антенны приведена только диаграмма направленности на частоте 1,8 ГГц. Широкополосность антенны не оценивается. Габаритные размеры антенны (относительно λ - длины волны, соответствующей нижней частоте рабочего диапазона):
ниж
высота - 0,04 λ,
ниж
диаметр - 1,2 λ/(3,14⋅SWF),
где SWF - коэффициент замедления структуры бегущей волны.
К сверхширокополосным малогабаритным антеннам относится и ряд спиральных антенн похожей конструкции (патенты РФ 2422954, 2530264, 2620766, 2687895), содержащих комбинированную двухзаходную спираль из соединенных плоской и полусферической спиралей и поглощающий резонатор, представляющий собой систему колец из радиопоглощающих материалов, установленных на металлических рефлекторах.
Из известных технических решений наиболее близкой по конструкции и по технической сущности к малогабаритной сверхширокополосной 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. Плоская спираль имеет полосковую конструкцию. Полусферическая проволочная спираль закреплена в канавках, на наружной поверхности полого диэлектрического корпуса, внутри которого размещены согласующий симметрирующий трансформатор и металлические рефлекторы плоской и полусферической спиралей с установленными на них кольцами из радиопоглощающих материалов. При этом внешний диаметр нижнего кольца равен диаметрам диэлектрического корпуса и рефлектора полусферической спирали, а с другой стороны металлического рефлектора плоской спирали установлено обратное кольцо из радиопоглощающего материала, обращенное рабочей поверхностью к металлическому рефлектору полусферической спирали.
ниж
ниж
Сверхширокополосная спиральная антенна работает в непрерывном диапазоне УВЧ и СВЧ с перекрытием 20:1, имеет удовлетворительные однонаправленные ДН с низким уровнем боковых и задних лепестков (не более минус 10 дБ). КУ антенны в рабочем диапазоне частот изменяется от минус 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, характерен для спиральных антенн с поглощающими полостями или резонаторами. Еще меньший КУ антенны в нижней части диапазона частот связан с ее малогабаритностью и является следствием обрезания части зоны эффективного излучения (активной зоны), которая для нижней части диапазона частот находится вблизи рефлектора полусферической спирали. Диаметр антенны равен 0,17λ, где λ - длина волны, соответствующая нижней граничной частоте рабочего диапазона частот.
Целью настоящего изобретения является увеличение КУ малогабаритной сверхширокополосной спиральной антенны в нижней части рабочего диапазона частот и расширение диапазона в область более низких частот.
Указанная цель достигается тем, что в сверхширокополосной спиральной антенне, содержащей комбинированную двухзаходную спираль, состоящую из соединенных плоской и полусферической спиралей, диэлектрический корпус с размещенной на нем полусферической спиралью, согласующий симметрирующий трансформатор и металлические рефлекторы плоской и полусферической спирали с установленными на них кольцами из радиопоглощающих материалов, согласно предлагаемому техническому решению диэлектрический корпус выполняется в виде множества плоских кольцевых слоев, лежащих соосно один на другом, причем диэлектрическая проницаемость (ε) материала слоев увеличивается по мере приближения от плоской спирали к нижнему радиопоглощающему кольцу и к рефлектору полусферической спирали.
На рис. 1 представлена конструкция антенны, где 1 - плоская спираль, 2 - верхнее кольцо из радиопоглощающего материала, 3 - металлический рефлектор плоской спирали, 4 - обратное кольцо из радиопоглощающего материала, 5 - нижнее кольцо из радиопоглощающего материала, 6 - металлический рефлектор полусферической спирали, 7 - полусферическая спираль, 8 - диэлектрический корпус, 9 - согласующий симметрирующий трансформатор.
Антенна представляет собой комбинацию плоской и полусферической двухзаходных спиралей. Плоская спираль (1) имеет полосковую конструкцию. Внутренние концы ветвей плоской спирали возбуждаются согласующим симметрирующим трансформатором (9); наружные концы ветвей плоской спирали соединены с внутренними (верхними) концами проволочной полусферической спирали (7), закрепленной на диэлектрическом корпусе (8). Внутри диэлектрического корпуса на металлических рефлекторах (3 и 6) плоской и полусферической спиралей установлены соответственно верхнее кольцо (2) и нижнее кольцо (5) из радиопоглощающих материалов. На обратной стороне металлического рефлектора (3) плоской спирали установлено обратное кольцо (4) из радиопоглощающего материала.
Увеличение КУ антенны в нижней части рабочего диапазона частот и расширение диапазона в область более низких частот достигается тем, что диэлектрический корпус выполняется в виде множества плоских кольцевых слоев, лежащих соосно один на другом, причем диэлектрическая проницаемость материала слоев увеличивается по мере приближения от плоской спирали к нижнему радиопоглощающему кольцу и к рефлектору полусферической спирали.
Работа спиральных антенн и их широкополосность объясняются с помощью теории «токовых полос», из которой следует, что наиболее интенсивно излучают области антенны, в которых периметры витков близки к целому числу длин волн. В антеннах с противофазным возбуждением спиральных ветвей главным образом излучают витки, расположенные в пределах кольца, средний периметр которого равен одной длине волны (Сверхширокополосные антенны. Под редакцией Л.С. Бененсона. Изд. «Мир», Москва, 1964, стр. 6, 153, 197). Чтобы это выполнялось для более низких частот при неизменных габаритных размерах антенны, необходимо увеличить электрический периметр витков, излучающих в нижней части рабочего диапазона. В малогабаритных антеннах с этой целью наряду с модуляцией проводников спиралей и оконечными нагрузками концов спиралей широко используются диэлектрические материалы. Распространение электромагнитных волн в диэлектрике приводит к их замедлению и к укорочению длины волны по сравнению с длиной волны в свободном пространстве, при этом коэффициент укорочения пропорционален квадратному корню из относительной диэлектрической проницаемости материала диэлектрика. В связи с этим, для уменьшения нижней граничной частоты малогабаритной спиральной антенны величина диэлектрической проницаемости материала диэлектрического корпуса должна быть высокой. Это увеличивает электрический периметр витков спирали в активной зоне вблизи основания антенны, увеличивает КУ и сдвигает нижнюю рабочую частоту антенны вниз. Однако увеличение диэлектрической проницаемости материала всего диэлектрического корпуса ухудшает плавность перехода от плоской спирали к полусферической спирали и, тем самым, существенно нарушается принцип квазичастотно-независимой спиральной структуры. Поэтому, для достижения поставленной цели диэлектрический корпус выполняется в виде множества плоских кольцевых слоев, лежащих соосно один на другом, причем диэлектрическая проницаемость материала слоев увеличивается по мере приближения от плоской спирали к нижнему радиопоглощающему кольцу и к рефлектору полусферической спирали.
Для подтверждения увеличенного КУ малогабаритной сверхширокополосной спиральной антенны в нижней части рабочего диапазона частот и расширения диапазона в область более низких частот за счет увеличивающейся диэлектрической проницаемости материала кольцевых слоев диэлектрического корпуса по мере приближения от плоской спирали к нижнему радиопоглощающему кольцу и к рефлектору полусферической спирали проведено электродинамическое моделирование. Расчеты проводились с использованием сведений по конструкции, размерам и материалам антенны-прототипа с учетом увеличения диэлектрической проницаемости материала кольцевых слоев диэлектрического корпуса. При увеличении диэлектрической проницаемости материала кольцевых слоев от 2,5 до 90 прирост расчетного КУ антенны в нижней части рабочего диапазона частот по сравнению с антенной-прототипом составил максимально 9,7 дБ; при увеличении диэлектрической проницаемости материала кольцевых слоев от 2,5 до 70 прирост расчетного КУ составил максимально 9,3 дБ; при увеличении диэлектрической проницаемости материала кольцевых слоев от 2,5 до 18 прирост расчетного КУ составил максимально 6,3 дБ. Расчетное расширение рабочего диапазона в область более низких частот достигнуто 300 МГц; расчетное перекрытие рабочего диапазона 28:1.
Малогабаритная сверхширокополосная спиральная антенна с увеличивающейся от 4,3 до 15 диэлектрической проницаемостью материала кольцевых слоев диэлектрического корпуса изготовлена и экспериментально проверена. Антенна имеет удовлетворительные радиотехнические характеристики. Измеренный прирост КУ малогабаритной сверхширокополосной спиральной антенны в нижней части рабочего диапазона частот по сравнению с антенной-прототипом составляет максимально 4,7 дБ. Расширение рабочего диапазона в область более низких частот достигнуто 200 МГц, перекрытие рабочего диапазона частот не менее 25:1.
ниж
Габаритные размеры антенны (относительно λ - длины волны, соответствующей нижней частоте рабочего диапазона):
ниж
- диаметр - 0,13 λ;
ниж
- высота (без разъема) - 0,09 λ.
Таким образом, выполнение диэлектрического корпуса антенны в виде множества плоских кольцевых слоев, лежащих соосно один на другом, причем диэлектрическая проницаемость материала слоев увеличивается по мере приближения от плоской спирали к нижнему радиопоглощающему кольцу и к рефлектору полусферической спирали обеспечивает увеличение коэффициента усиления в нижней части рабочего диапазона частот и расширяет диапазон антенны в область более низких частот.