СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА
SPIRAL ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике, в частности к широкополосным спиральным антеннам, работающим в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) в составе антенных систем различного назначения, в том числе в системах пеленгации и сопровождения.
В современных радиотехнических системах 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 широкополосных антенн оказывается малым (менее 2 дБи).
Широко используемые в современных радиотехнических системах пеленгации плоские двухзаходные спиральные антенны при противофазном возбуждении ветвей работают в режиме осевого излучения и одинаково излучают электромагнитную энергию в обоих противоположных направлениях, перпендикулярных плоскости спирали. Для получения однолепестковой диаграммы направленности за спиралью помещают отражающую полость. (Сверхширокополосные антенны. Под редакцией Л.С. Бененсона. Изд. «Мир», Москва, 1964, стр. 194).
Известна плоская спиральная антенна, состоящая из трех основных элементов: спирального излучателя, отражающей (поглощающей) полости и возбуждающего устройства (Горощеня А.Б. Проектирование широкополосных антенн. Учебное пособие, Омск, 1989, стр. 42). В книге дана схема построения антенны для режима осевого излучения и детально рассмотрены основные принципы конструирования. Подчеркнуто, что главной конструктивной особенностью плоских спиральных антенн является наличие отражающей (поглощающей) полости. При рабочем диапазоне частот антенны не более одной октавы отражающая полость может быть в виде цилиндрического резонатора, один из торцов которого открыт (в нем помещается спиральный излучатель), а другой представляет собой металлическую стенку - экран. Это позволяет увеличить коэффициент усиления антенны на 3 дБ, однако для расширения рабочего диапазона частот должно выдерживаться четвертьволновое расстояние между экраном и спиральным излучателем на всех частотах рабочего диапазона, чтобы предотвратить уменьшение коэффициента усиления за счет искажения диаграмм направленности и ухудшения согласования антенны с линией питания.
Отмечено, что наиболее эффективным способом расширения рабочего диапазона частот является замена отражающей полости поглощающей полостью, однако использование поглощающей полости снижает КУ спиральных антенн на 3 дБ.
Известна сверхширокополосная спиральная антенна (патент РФ №2687895), содержащая комбинированную двухзаходную спираль, состоящую из соединенных плоской и полусферической спиралей, диэлектрический корпус, внутри которого размещены согласующий симметрирующий трансформатор, и металлические рефлекторы плоской и полусферической спиралей с установленными на них кольцами из радиопоглощающих материалов. При этом на обратной стороне рефлектора плоской спирали установлено обратное кольцо из радиопоглощающего материала, обращенное рабочей поверхностью к рефлектору полусферической спирали. Между радиопоглощающим кольцом на рефлекторе полусферической спирали и обратным радиопоглощающим кольцом размещено кольцо из диэлектрического материала.
Сверхширокополосная спиральная антенна работает в непрерывном диапазоне УВЧ и СВЧ с перекрытием 20:1, имеет удовлетворительные однонаправленные диаграммы с низким уровнем боковых и задних лепестков (не более минус 10 дБ). Известно, что КУ данной 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, может рассматриваться как недостаток, присущий спиральным антеннам с поглощающими полостями. Еще меньший КУ антенны в нижней части диапазона частот связан с ее малогабаритностью. Диаметр антенны равен 0,17λн, где λн - длина волны, соответствующая нижней граничной частоте рабочего диапазона частот.
Из известных технических решений наиболее близкой по технической сущности к спиральной антенне является широкополосная спиральная антенна со ступенчатым экраном (Sarah Mohamad, Robert Cahill and Vincent Fusco. Performance enhancement of a wideband spiral antenna using a stepped ground plane. Microwave and optical technology letters / Vol. 56, No. 3, March 2014, p. 753-757).
Антенна состоит из плоской двухзаходной самодополнительной спирали Архимеда, выполненной в печатном виде на подложке с диэлектрической проницаемостью ε=2,2. Возбуждение спирали осуществляется «бесконечным» трансформатором.
Для создания однонаправленного излучения антенны в широком диапазоне частот используется ступенчатый экран, представляющий собой восемь металлических колец, размещенных соосно с центром спиральной платы ниже на четверть длины волны от каждой из восьми активных областей, соответствующих возбуждению антенны в 1 ГГц полосах в диапазоне от 3 ГГц до 10 ГГц.
Известно, что спиральная антенна со ступенчатым экраном имеет однонаправленные ДН с уровнем задних лепестков минус 7÷ минус 12 дБ и увеличенный на 3,1 дБ КУ по сравнению с антенной без ступенчатого экрана.
Так как ступенчатый экран проектировался для оптимизации характеристик антенны в дискретных 1 ГГц полосах частот, то все расчетные и экспериментальные характеристики приводятся для фиксированных частот 3; 4; …10 ГГц, хотя и утверждается, что такой ступенчатый экран способен улучшить характеристики спиральной антенны во всей 105% рабочей ширине полосы частот спирали.
Электродинамическое моделирование антенны со ступенчатым экраном с использованием сведений о конструкции и размерах элементов антенны, приведенных в статье, показало, что на выбранных частотных точках характеристики антенны удовлетворительны. В частности расчетные значения КУ находятся в интервале 7,7÷8,2 дБи (пунктирная кривая на рис. 1) и близки к расчетным значениям, приведенным в статье на рис. 5. Однако расчет с меньшим шагом по частоте (например, через 0,1 ГГц) обнаруживает резкие изменения КУ на 1,5÷10,6 дБ на промежуточных частотах (сплошная кривая на рис. 1), что, несомненно, является недостатком антенны.
Кроме того, предложенная конструкция ступенчатого экрана при кажущейся простоте представляется довольно сложной и не технологичной из-за необходимости обеспечения точного взаимного положения металлических колец, разделенных приклеенными проставками из пены низкой плотности.
Целью настоящего изобретения является разработка широкополосной спиральной антенны с увеличенным КУ без резких резонансных изменений в рабочем диапазоне частот, упрощенной конструкции и повышенной технологичностью изготовления.
Указанная цель достигается тем, что в спиральной антенне, содержащей плоскую печатную спиральную плату, возбуждающее устройство и ступенчатый экран из металлических колец, расположенных на четверть длины волны ниже соответствующих активных областей плоской спирали, ступенчатый экран дополнен металлическими коническими поверхностями усеченных прямых конусов, расположенных между металлическими кольцами так, что наружная окружность каждого кольца, кроме нижнего, гальванически соединяется с внутренней окружностью ниже лежащего кольца.
На рис. 2 изображена конструкция спиральной антенны, где 1 - плоская спиральная плата, 2 - возбуждающее устройство, 3 - металлические кольца ступенчатого экрана, 4 - металлические конические поверхности усеченных прямых конусов.
В результате отражающая полость спиральной антенны представляет собой объемное металлическое тело вращения, образованное плоскими и коническими металлическими поверхностями, размеры которых согласованы с размерами соответствующих активных областей плоской спирали.
Ввиду того, что плоские и конические поверхности имеют гальванический контакт друг с другом, в конструкции отражающей полости отсутствуют кольцевые щели между плоскими поверхностями (кольцами), что исключает резкие резонансные изменения КУ на промежуточных частотах, отличающихся от конкретных выбранных частот, для которых рассчитывались кольца ступенчатого экрана.
Отражающая полость указанной конструкции делает постоянным «электрическое» четвертьволновое (в долях длины волны) расстояние между излучающими витками (активной зоной) плоской спирали и дном отражающей полости, что обеспечивает однонаправленность излучения, широкополосность антенны и увеличенный КУ без резких резонансных изменений в рабочем диапазоне частот.
Ввиду того, что в конструкции отражающей полости не используются радиопоглощающие материалы, КУ спиральной антенны увеличен на 3 дБ по сравнению с КУ спиральных антенн с поглощающими полостями.
Такая отражающая полость конструктивно проста и может изготавливаться токарной обработкой или штампованием, что значительно повышает технологичность изготовления антенны.
Для подтверждения, увеличенного без резких резонансных изменений КУ спиральной антенны, с предлагаемой отражающей полостью проведено электродинамическое моделирование. Расчеты проводились с использованием сведений о конструкции, размерах и материалах антенны-прототипа с учетом введенных изменений в отражающей полости. Расчеты выполнялись с шагом 0,1 ГГц. График расчетных значений КУ в диапазоне частот от 3 ГГц до 10 ГГц представлен на рис. 3. КУ антенны изменяется от 5,2 дБи до 8,2 дБи без резких резонансных изменений и в среднем примерно на 3 дБ больше КУ спиральных антенн с поглощающими полостями.
Таким образом, использование в конструкции плоской спиральной антенны с отражающей полостью в виде ступенчатого экрана из металлических колец дополняющих металлических конических поверхностей усеченных прямых конусов решает поставленную задачу - разработана широкополосная спиральная антенна с увеличенным КУ без резких резонансных изменений в рабочем диапазоне частот, с упрощенной конструкцией и повышенной технологичностью изготовления.