СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА
ULTRA-WIDEBAND HELICAL ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике и может использоваться при конструировании сверхширокополосных спиральных антенн, работающих в непрерывном диапазоне ультравысоких (УВЧ) и сверхвысоких (СВЧ) частот в составе антенных систем различного назначения, в частности в системах пеленгации и сопровождения.
Широко известен класс спиральных антенн: плоские, конические, цилиндрические, выполненные на поверхностях тел вращения с криволинейной образующей (сфера, параболоид, эллипсоид вращения) (О.А.Юрцев, А.В.Рунов, А.Н.Казарин. Спиральные антенны. «Советское радио», Москва, 1974 г., стр.4, 190).
Задачи проектирования современных радиотехнических систем предъявляют к антеннам требования максимальной широкополосности (перекрытие рабочего диапазона частот примерно 1:20) и минимальности габаритных размеров.
Цилиндрические спиральные антенны имеют ограниченную широкополосность и не могут работать с таким перекрытием рабочего диапазона частот. Плоские, конические и другие спиральные антенны при таких коэффициентах перекрытия имеют большие габаритные размеры. Тем более, что для получения однонаправленного излучения в антеннах, как правило, используются металлические рефлекторы или резонаторы, увеличивающие поперечный размер (диаметр) антенны до 0,4-1,0 λниж. (где λниж. - длина волны, соответствующая нижней частоте рабочего диапазона частот).
Широкополосность спиральных антенн в области верхних частот ограничена достижимой точностью и технологическими трудностями выполнения проводников спирали в области возбуждения. В связи с этим плоские спиральные антенны более широкополосны в области верхних частот, чем другие типы спиральных антенн, у которых проводники спирали выполняются на не плоских поверхностях.
Известна спиральная антенна (патент США 4012744), представляющая собой плоскую спираль, нагруженную на цилиндрическую спираль; при этом диаметр основания антенны больше диаметра цилиндрической спирали. Недостаток антенны - не решается вопрос малогабаритности из-за большого диаметра основания (рефлектора) антенны. Вместе с тем, наличие такого рефлектора приводит к появлению дополнительной частотной зависимости параметров антенны и уменьшает ее широкополосность. Другим недостатком является то, что антенна имеет резкий переход от плоской спирали к цилиндрической, тем самым существенно нарушается принцип квазичастотно-независимой структуры. Кроме того, цилиндрическая спираль сама по себе имеет ограниченную широкополосность.
Нижняя частота рабочего диапазона антенн часто определяется допустимым уровнем задних лепестков диаграмм направленности. Для слабонаправленных антенн, к которым относятся спиральные антенны, допустимым считается уровень заднего лепестка не более 10%.
Известно, что в большинстве спиральных антенн для получения однонаправленного излучения используются радиопоглощающие резонаторы в основном в виде металлического цилиндрического стакана, с помещенным внутрь него поглощающим устройством (патент США 4085406), и в виде металлического рефлектора с закрепленным на нем поглотителем (J.J.H.Wang and V.K.Tripp, Design of multioctave spiral - mode microstrip antennas. JEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 39, pp.332-335, Mar. 1991).
Резонаторы обычно выполняют так, что поглощающее устройство располагается между спиралью (на определенном расстоянии от нее) и отражающей металлической поверхностью таким образом, что резонатор рабочей поверхностью поглотителя обращен к спирали.
В дополнение к резонаторам для улучшения направленности используют различные оконечные нагрузки концов спирали (M.W.Nurnberger and J.L.Volakis. New Termination for Ultrawide-Band Slot Spirals. JEEE Trans. Antennas Propagat. vol. 50, №0.1. Jan. 2002).
Целью предлагаемого изобретения является создание сверхширокополосной малогабаритной спиральной антенны.
Указанная цель достигается за счет того, что в составе комбинированной двузаходной спирали сверхширокополосной спиральной антенны плоская спираль дополнена гальванически связанной с ней полусферической спиралью. Внутри диэлектрического корпуса на металлических рефлекторах плоской и полусферической спиралей установлены кольца из поглощающего материала, верхнее и нижнее, при этом внешний диаметр установленного на металлическом рефлекторе полусферической спирали нижнего кольца, равен диаметру диэлектрического корпуса. Для той же цели, а именно для расширения рабочего диапазона сверхширокополосной спиральной антенны в область более низких частот без увеличения ее габаритных размеров, конструкция антенны дополнена обратным кольцом из поглощающего материала, установленным с обратной стороны металлического рефлектора плоской спирали и обращенным рабочей поверхностью к металлическому рефлектору полусферической спирали.
Конструктивно антенна представляет собой комбинацию плоской и полусферической двузаходных спиралей.
На чертеже приведена конструкция антенны, где 1 - плоская спираль, 2 - полусферическая спираль, 3 - диэлектрический корпус, 4 - верхнее кольцо из поглощающего материала, 5 - металлический рефлектор плоской спирали, 6 - обратное кольцо из поглощающего материала, 7 - нижнее кольцо из поглощающего материала, 8 - металлический рефлектор полусферической спирали, 9 - согласующий симметрирующий трансформатор.
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 полусферической спирали (2). Полусферическая спираль (2) закреплена на диэлектрическом корпусе (3). Внутри диэлектрического корпуса (3) на металлических рефлекторах (5, 8) плоской и полусферической спиралей установлены соответственно верхнее кольцо (4) и нижнее кольцо (7) из поглощающего материала. На обратной стороне металлического рефлектора (5) плоской спирали установлено обратное кольцо (6) из поглощающего материала.
Сверхширокополосность антенны обеспечивается за счет совместного использования плавных геометрического и электрического переходов от плоской спирали к полусферической и поглощающих колец для каждой из спиралей. Плавность перехода позволяет получить стабильные характеристики антенны в частотном диапазоне, соответствующем переходной зоне. Использование плоской спирали дает возможность технологически проще формировать витки спирали в области возбуждения, работающие в верхней части рабочего диапазона частот. Уменьшение уровня заднего излучения и, соответственно, дальнейшее расширение рабочего диапазона частот в область более низких частот без увеличения габаритных размеров антенны обеспечивают нижнее кольцо из поглощающего материала, установленное на рефлекторе полусферической спирали и обратное кольцо из поглощающего материала, установленное на обратной стороне рефлектора плоской спирали. Обратное кольцо, установленное на обратной стороне металлического рефлектора плоской спирали и обращенное рабочей поверхностью к металлическому рефлектору полусферической спирали, дополнительно поглощает волны, отраженные от концов полусферической спирали, не ослабляя волны, бегущие к ее концам.
При этом эффективность поглощения максимальна для электрически малой антенны, у которой активная область излучения на нижних частотах рабочего диапазона находится вблизи концов полусферической спирали.
Форма антенны близка к полусферической без выступающих за пределы излучающей структуры элементов. Диаметр основания антенны равен диаметру полусферической спирали, что позволяет удобно вписываться в аэродинамически выгодную или целесообразную с точки зрения компоновки форму летательного аппарата.
Антенна изготовлена и экспериментально проверена. Получены хорошие радиотехнические характеристики с коэффициентом перекрытия диапазона рабочих частот не менее 20.
Габаритные размеры антенны (относительно λниж. - длины волны, соответствующей нижней частоте рабочего диапазона):
- диаметр
0,16 λниж.;
- высота (без разъема)
0,12 λниж.