МАЛОГАБАРИТНАЯ ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА ОДНОНАПРАВЛЕННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ
COMPACT CIRCULAR POLARISED BROADBAND ANTENNA FOR UNIDIRECTIONAL RADIATION

Изобретение относится к антенной технике, в частности к спиральным антеннам различного назначения, например, используемым в наземных приемниках спутниковых систем связи.
Из предшествующего уровня техники известна коническая спиральная антенна с двойной круговой поляризацией, содержащая левую и правую проводящие спирали. При последовательном возбуждении этих спиралей излучается волна с левой или правой круговой поляризацией, см. патент Великобритании №2174249, М.кл. H01Q 9/27, 1986 г.
Недостатками этой антенны являются большие размеры, сравнимые с максимальной рабочей длиной волны, и резкое изменение поляризационных характеристик по рабочему сектору углов.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа заявленного изобретения, является плоская спиральная антенна. Она содержит размещаемые в одной плоскости со сдвигом 90° четыре идентичные проводящие однонаправленные спирали, объединенные по входным клеммам в группу и подсоединенные к двум коаксиальным кабелям. См. патент Великобритании №2207556, М.кл. H01Q 9/27, 1986 г.
Недостатками этой антенны являются двунаправленное излучение, а также большой диаметр, сравнимый с 1/3 максимальной рабочей длиной волны, и резкое изменение поляризационных характеристик по рабочему сектору углов.
Технической задачей, решаемой заявленным изобретением, является устранение указанных недостатков, а именно снижение габаритов антенны, снижение уровня излучения в нижнее полупространство и сохранение круговой поляризации по рабочему сектору углов.
Решение указанной задачи обеспечивается за счет размещения в одной плоскости импедансной двухзаходной электрической спирали и повернутой относительно нее на -90° импедансной двухзаходной магнитной спирали, которые подключены к общим входным клеммам.
Изобретение поясняется чертежом, на котором показан общий вид предложенной антенны.
Предложенная плоская антенна состоит из импедансной двухзаходной электрической спирали 1 и импедансной двухзаходной магнитной спирали 2 с общими входными клеммами 3.
Принцип работы заявляемого устройства заключается в следующем. При распространении по спирали (электрической или магнитной) волны тока, коэффициент ее распространения - k составляет -  где: λ - длина рабочей волны.
max
min
Если набег фазы на витке спирали диаметра D равен k×π×D=2×π, то виток спирали интенсивно излучает или поглощает энергию (D имеет диапазон значений - не более наружного D и не менее внутреннего D диаметра витка спирали). При прочих фазовых соотношениях энергетический обмен незначителен (см., например [3], стр.393).
Если спираль 1 выполнена в виде индуктивного импедансного проводника, то коэффициент распространения волны тока увеличивается, а резонансный диаметр витка уменьшается. Физика эффекта замедления скорости распространения волны тока по такому проводнику корректно рассмотрена в [4], стр.369. Простейший вид импедансного электрического проводника - цилиндрическая проводящая спираль с диаметром d и шагом h много меньше рабочей длины волны λ, при этом погонное индуктивное сопротивление регулируется изменением величины шага h.
e
Детальный анализ, выполненный автором, показывает, что, например, для тонкого импедансного электрического проводника коэффициент распространения тока по его поверхности kравен:
где:
Z - погонное индуктивное сопротивление проводника;
η - волновое сопротивление свободного пространства. Особенностью спиральной антенны, является то, что при увеличении коэффициента распространения, пропорционально снижается диаметр D ее рабочего витка спирали т.е. для тонкого импедансного электрического проводника справедливо выражение:
В дециметровом диапазоне длин волн технически просто реализуются условия
т.е. по сравнению с обычной плоской спиральной антенной диаметр рабочего витка уменьшается в 3 раза.
m
Выше рассмотрена двухзаходная плоская электрическая спираль 1, являющаяся частью предлагаемой антенны. Она имеет симметричные диаграммы направленности излучаемого поля как в верхней, так и в нижней полусферах. Предлагается дополнить импедансную электрическую двухзаходную спираль 1 импедансной магнитной двухзаходной спиралью 2 повернутой на -90° относительно спирали 1 (и в плоскости этой спирали). Простейший вид импедансного магнитного проводника (из которого изготавливается магнитная спираль) - соосная последовательность колец с диаметром d и шагом h много меньше рабочей длины волны λ, создающей магнитный момент (вопрос формирования которого детально рассмотрен в [5] стр.416). Погонное емкостное сопротивление указанной последовательности колец регулируется изменением величины их шага - h. Для коэффициента распространения тока по импедансной магнитной спирали k и для диаметра рабочего витка спирали D справедливы приведенные выше формулы, но с заменой погонного индуктивного сопротивления на погонное емкостное сопротивление.
m
э
m
э
В предлагаемой конструкции электрическая 1 и магнитная 2 импедансные спирали имеют одинаковы размеры, а также замедление (коэффициент распространения тока вдоль проводника), при этом между входным магнитным током магнитной спирали l и входным электрическим током электрической спирали l установлена пропорция I=η·I, т.е. предложен полный аналог элемента Гюйгенса (см., [3] стр.42-44, 297). Особенностью элемента Гюйгенса является то, что вне зависимости от вида поляризации он имеет диаграмму направленности по полю следующего вида:
,
где θ - угол, отсчитываемый от нормали к плоскости антенны.
Из этого выражения видно, что для любой поляризации при угле θ=180°, соответствующем нижней полусфере, излучение отсутствует. А для θ=0°, имеем максимальный уровень излучения - 1.
Таким образом, предложенная антенна имеет по сравнению с прототипом значительно меньшие размеры, стабильность поляризационных характеристик в рабочем секторе углов и отсутствие излучения в нижнюю полусферу.
ЛИТЕРАТУРА
1. Коническая спиральная антенна с двойной поляризацией. Патент Великобритании №2174249, М.кл. H01Q 9/27.
2. Спиральная антенна. Патент Великобритании №2207556, М.кл. H01Q 9/27.
3. Марков С.Д., Сазонов Д.М. Антенны. - М.: Энергия, 1975 г.
4. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. - М.: Наука, 1973 г.
5. Р.Кинг, Г.Смит. Антенны в материальных средах. Т.1. - М.: Мир, 1984 г.
6. Г.Т.Марков, А.Ф.Чаплин. Возбуждение электромагнитных волн. - М.: Энергия, 1967 г.