СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА
HELICAL ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антеннам для радиотехнических систем различного назначения. Преимущественная область применения спиральной антенны в качестве излучателей фазированных антенных решеток широкополосных пеленгационных систем.
Известна спиральная антенна (US, авт. св. №1587611, Н01Q 11/08, Бюл. №31, 23.08.90), которая содержит двухзаходную арифметическую спираль, имеющую не менее 3, 5 витков в каждой ветви, согласующий элемент и коаксиальный соединитель. Причем спираль размещена на диэлектрической плате, установленной над экраном на расстоянии (0,1-0,15) максимальной рабочей длины волны. Ветви двухзаходной спирали замкнуты в центре. Согласующий элемент выполнен в виде отрезка коаксиальной линии, внешний проводник которой соединен со спиралью и металлическим диском диаметром 0,1 максимальной рабочей длины волны, который расположен от спирали на расстоянии не более 0,02 максимальной рабочей длины волны. Внутренний проводник соединен со спиралью в точке, находящейся на расстоянии 0,34-0,38 максимальной рабочей длины волны, отсчитываемом вдоль ветви спирали от ее центра.
Эта антенны имеет большую дисперсию, которая вызвана большой длиной ветвей спирали (не менее двух минимальных длин волн), что приводит к большим пеленгационным ошибкам.
Известна спиральная антенна (US, авт. св. №1307496, Н01Q 11/08, Бюл. №16, 30.03.85). Эта антенна содержит излучатель в виде плоской двухзаходной спирали, установленной в плоскости раскрыва резонатора. Излучатель подключен к питающему фидеру через согласующий элемент, выполненный в виде начального участка двухзаходной спирали, форма огибающей начального участка двухзаходной спирали выбрана из уравнений:
для внутренней стороны полоска ветвей спирали
для наружной стороны полоска ветвей спирали,
вн
н
1
2
1
2
где ρ(φ) и ρ(φ) - радиусы внутренней и наружной сторон полоска ветвей плоской двухзаходной спирали в функции координаты φ полярной системы координат (ρ, φ); A, А, В - заданные параметры, определяющие ширину полоска ветвей спирали плоской двухзаходной спирали, причем A, А, В>0, С, D и Е - параметры, выбранные из соотношений:
конт
конт
где ρ, φ - параметры начального участка плоской двухзаходной спирали в месте подключения к питающему фидеру;
mах
mах
mах
ρ, φ - параметры в точке с максимальным приращением ширины полоска Δρ.
Недостаток этой антенны заключается в том, что ее максимальная рабочая длина волны не может быть больше удвоенного размера внешнего диаметра спирали антенны, так как укороченная длина средней части не обеспечивает необходимый набег разности фаз между токами в ветвях спирали, приводящей к формированию синфазного излучающего виртуального кольца спиральной антенны. Кроме того, при рабочей длине волны, превышающий удвоенный размер диаметра спиральной антенны, нарушается ее согласование с питающим фидером.
Техническим результатом изобретения является улучшение согласования антенны с питающим фидером и увеличение максимальной рабочей длины волны.
Изобретение поясняется фиг.1, 2 и 3.
На фиг.1 представлено диаметральное поперечное сечение двухзаходной спиральной антенны, ортогональное ее апертуре. На фигуре введены обозначения: 1 - спиральный излучатель, 2 - диэлектрическая подложка; 3 - объемный резонатор; 4 - питающий фидер.
На фиг.2 представлена топология спирального излучателя. Металлизированная поверхность, заключенная между пунктирной и штрихпунктирной кривыми линиями (на фиг.2 обозначена цифрами 1.1), представляет собой правую ветвь спирали. Металлизированная поверхность, заключенная между сплошной и точечной кривыми линиями (на фиг.2 обозначена цифрами 1.2), представляет собой левую ветвь спирали. Согласующие ступенчатые неоднородности с внешней и внутренней боковых сторон ветвей двухзаходной спиралли обозначены цифрой 5.
На фиг.3 представлена топология спирального излучателя образца антенны. На фигуре введены обозначения: 5 - согласующие ступенчатые неоднородности с внешней и внутренней боковых сторон ветвей двухзаходной спирали; D - расстояние между соединениями внутреннего и внешнего проводников фидера с разными ветвями двухзаходной спирали излучателя (D/2 - расстояние от центра антенны до начала каждой ветви); d - зазор между началом ветвей двухзаходной спирали, который выполнен симметрично относительно оси антенны.
Расстояние между точками соединения проводников фидера с ветвями двухзаходной спирали D, так же как и ширину щели в центре антенны между ветвями спиральной антенны d, определяют экспериментальным путем на макете образца антенны, после чего полученные значения D и d заносят в чертежи.
Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что двухзаходная спиральная антенна содержит: излучатель 1, диэлектрическую подложку 2; объемный резонатор 3; питающий фидер 4 и согласующие ступенчатые неоднородности 5.
Излучатель 1 (фиг.1, 2 и 3) выполнен в виде плоской двухзаходной спирали с двумя ветвями 1.1 и 1.2 из фольги хорошо проводящего металла (например, серебро, медь, алюминий, латунь, бронза) и жестко закреплен на диэлектрической подложке 2. С внутренней и наружной боковых сторон ветвей спирали 1.1 и 1.2 выполнены согласующие ступенчатые неоднородности 5.
Подложка 2 выполняется из диэлектрика с относительной диэлектрической проницаемостью в пределах от 2,2 до 6,5 и тангенсом угла потерь меньше 0,03. Диаметр подложки равен внешнему диаметру резонатора, толщина подложки в 100 и более раз меньше средней рабочей длины волны антенны. Подложка 2 жестко закреплена в плоскости раскрыва резонатора 3.
Объемный резонатор 3 изготавливается в виде отрезка цилиндрической трубы с заглушенным торцом с одной стороны, из хорошо проводящего металла и настраивается на одну длину волны из рабочего диапазона длин волн антенны. На открытом торце резонатора жестко закреплена подложка с излучателем. Длина отрезка цилиндрической трубы лежит в пределах от 0,1 до 0,23 максимальной рабочей длины волны антенны. Внутренний диаметр трубы равен внешнему диаметру спирали.
Фидер, питающий антенну, выполнен из коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом. Внутренний и внешний проводники фидера соединены, например пайкой, с разными ветвям двухзаходной спирали излучателя на расстоянии D/2 от оси антенны. Фидер закреплен внутри резонатора жестко и соосно с ним.
Формы огибающих кривых внутренней и внешней боковых сторон ветвей двухзаходной спирали излучателя 1 и положения на этих сторонах ветвей спирали согласующих ступенчатых неоднородностей рассчитываются по эмпирическим формулам (1) и (2). Формула (1) предназначена для расчета форм кривых, огибающих боковые стороны (внутренние и внешние) начальных, нерегулярных частей (нр) ветвей двухзаходной спирали. Формула (2) предназначена для расчета форм кривых огибающих боковые стороны (внутренние и внешние) регулярных частей (р) (спирали Архимеда) ветвей двухзаходной спирали. Формулы (1) и (2) обеспечивают плавное «сшивание» огибающих кривых одинаковых боковых сторон нерегулярных и регулярных частей ветвей двухзаходной спирали и определение положений согласующих ступенчатых неоднородностей на ветвях двухзаходной спирали.
i,n
нр
i,n
Текущие значения радиусов векторов (ρ) огибающих кривых боковых сторон (внутренней и внешней) начальных, нерегулярных частей (нр) ветвей двухзаходной спирали, в полярной системе координат (ρ, α) в функции аргумента α, рассчитываются по формуле:
i,n
при условии α≤3,0754+(i-1)·π/2.
i,n
i,n
Текущие значения радиусов векторов (ρ)p огибающих кривых боковых сторон (внутренней и внешней) регулярных частей (р) (спирали Архимеда) ветвей двухзаходной спирали, в полярной системе координат в функции аргумента α, рассчитываются по формуле:
i,n
при условии α>3,0754+(i-1)·π/2.
i,n
i,n
i,n
нp
i,n
p
Неравенства α≤3,0754+(i-1)·π/2 и α>3,0754+(i-1)·π/2 при расчете (ρ) и (ρ) обеспечивают плавное «сшивание» разных частей огибающих кривых одинаковых боковых сторон ветвей двухзаходной спирали и определение положений согласующих ступенчатых неоднородностей на ветвях двухзаходной спирали. В формулах (1) и (2) введены обозначения:
i,n
нp
i,n
p
(ρ) и (ρ) - текущие значения радиусов векторов огибающих кривых i-ых боковых сторон (внешних и внутренних) ветвей двухзаходной спирали, как функции
i,n
α в полярной системе координат (ρ, α);
i - индекс, который при расчете огибающих кривых каждой боковой стороны, каждой ветви двухзаходной спирали, последовательно принимает значения 1,2, 3 и 4 и обозначает порядковые номера боковых сторон ветвей двухзаходной спирали 1 антенны (1 - внутренняя боковая сторона первой ветви 1.1; 2 - внешняя боковая сторона первой ветви 1.1; 3 - внутренняя боковая сторона второй ветви 1.2; 4 - внешняя боковая сторона второй ветви 1.2), развернутые друг относительно друга на 90°;
i,n
i,n
нp
i,n
p
n - индекс последовательно принимает значения от 0 (или другого целого числа) до значения «к» и характеризует конкретное значение аргумента α, при котором в данный момент рассчитываются значения (ρ) и (ρ) (начальное значение n определяет требуемый зазор d между началом ветвей двухзаходной спирали, например, при n=0 ширина d=0 и чем больше n, тем больше d, от которого зависит входное сопротивление двухзаходной спирали);
i,n
i,n
нp
i,n
p
к - параметр определят точность проводимых расчетов, (к+1) - количество точек на заданном интервале изменения аргумента α, при котором производится расчет функций (ρ) и (ρ) (чем больше значение параметра к, тем точнее расчет);
i,n
нp
i,n
p
- текущее значение аргумента функции, радиусов-векторов (ρ) и (ρ), рассчитываемых для каждой огибающей кривой i-ой боковой стороны каждой ветви двухзаходной спирали;
А - параметр, определяющий количество витков (оборотов) двухзаходной спирали, значения которого находятся в пределах от 2,5 до 6;
В - параметр, определяющий крутизну захода и диаметр нерегулярной части ветвей двухзаходной спирали, который выбирается в пределах от 0,1 до 0,5 максимальной рабочей длины волны;
- поправочный коэффициент, определяющий степень гладкости «сшивания» нерегулярных частей ветвей спирали со спиралью Архимеда и положения согласующих ступенчатых неоднородностей на ветвях двухзаходной спирали (от параметра g зависят положения согласующих ступенчатых неоднородностей на огибающих кривых ветвей двухзаходной спирали, значения которого находятся в пределах от 0,8 до 10 и подбираются экспериментально);
F - параметр, от которого зависят ширина полосков ветвей спирали и ширина зазора между соседними сторонами разных ветвей двухзаходной спирали, значения которого находятся в пределах от 0,5 до 10 и подбираются экспериментально.
Работа антенны
Спиральная антенна работает следующим образом. Сверхвысокочастотный сигнал подают на вход питающего фидера 4, а из фидера сигнал поступает в витки 1.1. и 1.2. двухзаходной спирали излучателя 1. Резонатор 3 излучение излучателя 1 отражает в обратную сторону, благодаря чему в передней полуплоскости, ортогонально раскрыву резонатора, формируется диаграмма направленности антенны, излучения которой эллиптически поляризованы.
Основной причиной рассогласования спиральной антенной с питающим фидером, в первую очередь в длинноволновой части рабочего диапазона антенны, являются отражения от концов ветвей двухзаходной спирали волны тока, приводящей к увеличению коэффициента стоячей волны (КСВН). Преднамеренно введенные в топологию ветвей излучающей двухзаходной спирали ступенчатые неоднородности, которые вызывают дополнительные отраженные волны противофазные первичным отраженным волнам, которые в значительной мере их компенсируют и тем самым улучшают согласование антенны с питающим фидером и расширяют рабочий диапазон.
Пример реализации антенны
Огибающие кривые боковых сторон двухзаходной спирали опытного образца спиральной антенны (фиг.3) рассчитаны по формулам (1) и (2) для значений параметров:
к=10000, i=1, 2, 3 и 4, А=4, В=100, g=0,8, F=8, .
Опытный образец спиральной антенны работает в диапазоне волн от 60 до 120 см.
Резонатор 3 антенны выполнен из алюминиевого сплава в форме отрезка цилиндрической трубы, заглушенной с одного конца. Внутренний диаметр трубы резонатора равен 37 см, длина образующей цилиндрического резонатора равна 15 см. Резонатор настроен на минимальную длину волны рабочего диапазона (60 см).
Расстояние между соединениями внутреннего и внешнего проводников фидера с разными ветвями двухзаходной спирали излучателя D равно 11 мм.
Зазор между началом ветвей двухзаходной спирали d=3 мм.
Расстояние до неоднородностей (ступенек) от начала витков (считая от зазора d) вдоль огибающих кривых наружную и внутреннюю сторон ветвей двухзаходной спирали равно 19 см.
Диэлектрическая подложка выполнена из стеклотекстолита с относительной диэлектрической проницаемостью, равной 6, и тангенсом угла потерь 0,01. Диаметр подложки равен 40 см, толщина подложки 2 мм.
Испытания опытного образца двухзаходной спиральной антенны показали, что отношение максимальной рабочей длины к внешнему диаметру спирали излучателя составило 3,24 раза, что на 60% больше волнового диапазона прототипа.
Технический результат изобретения достигнут за счет улучшенного согласования антенны с питающим фидером. Максимальная рабочая длина волны спиральной антенны в 1,6 раза больше удвоенного размера внешнего диаметра двухзаходной спирали.