СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА
ULTRA WIDE 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 частности в системах пеленгации и сопровождения.
При проектировании современных радиотехнических систем к антеннам обычно предъявляют требования минимальности габаритных размеров и максимальной широкополосности (перекрытие рабочего диапазона частот 20:1 и более).
Миниатюризация спиральных антенн может достигаться модификацией ветвей спиралей путем введения в их структуру индуктивных или емкостных элементов и за счет сосредоточенных активных или реактивных компонентов, размещаемых на ветвях спиралей. При этом требуется оптимизация структуры антенны или способа нагрузки для получения максимального коэффициента усиления (КУ) в широком диапазоне частот при заданных размерах антенны (Kyohei Fujimoto and Hisashi Morishita. Modern Small Antennas. Cambridge University PRESS, p. 169).
Известны конструктивные решения, позволяющие обеспечить в той или иной мере выполнение указанных требований. Так, в щелевых спиральных антеннах с этой целью используют оконечные нагрузки в виде системы чип-резисторов, установленных поперек щели (M.W. Nurnberger and J.L. Volakis. New Termination for Ultrawide-Band Slot Spirals. Antennas Propagat. Vol. 50, No. 1. Jan. 2002) или, например, наружные витки плоской двухзаходной спирали выполняют в виде линий задержки путем придания им зигзагообразной формы (патент РФ 2565524).
Известна спиральная антенна (патент РФ 2071153), содержащая плоскую спираль, экран, симметрирующее устройство и два кольца из поглощающего материала, установленных в активной области спирали в зоне отсечки тока на нижнем участке рабочих частот: одно сверху на спирали, второе без зазора между спиралью и экраном, при этом диаметры спирали, экрана и колец соразмерны. Такое решение позволяет уменьшить диаметр и высоту антенны и обеспечить ее работу в широкой полосе частот с оптимальными параметрами.
Однако в описании изобретения не приводятся габаритные размеры антенны, нет информации о ее широкополосности, что не позволяет реально оценить полученный результат.
В данной конструкции нижнее поглощающее кольцо и экран обеспечивают однонаправленность излучения антенны, а верхнее поглощающее кольцо выполняет роль оконечной поглощающей нагрузки, ослабляющей влияние токов, отраженных от концов спирали. Использование в антенне двух поглощающих колец, воздействующих на токи в одной и той же активной области спирали в зоне отсечки тока на нижнем участке рабочих частот, представляется избыточным и усложняет конструкцию антенны.
Известна спиральная антенна (патент РФ 2620766), содержащая плоскую и полусферическую спирали, поглотитель, основание, симметрирующее устройство и корректор в виде диэлектрического кольца, соосного с полусферической спиралью и расположенного снаружи в нижней части ее витков. При этом на внешней поверхности кольца закреплены дополнительные витки спирали, верхние концы которых контактами соединены с нижними концами полусферической спирали.
Установка дополнительного диэлектрического кольца с витками спирали улучшает радиотехнические характеристики (РТХ) антенны в области нижних частот, расширяя ее рабочий диапазон, однако при этом увеличивается диаметр антенны.
Из известных технических решений наиболее близким конструктивно и по технической сущности является сверхширокополосная спиральная антенна, выполненая в виде комбинированной двухзаходной спирали, состоящей из соединенных плоской и полусферической спиралей. Питание антенны осуществляется согласующим симметрирующим трансформатором. Внутри диэлектрического корпуса, на котором закреплена полусферическая спираль, на металлических рефлекторах плоской и полусферической спиралей установлены кольца из радиопоглощающих материалов, верхнее и нижнее, при этом диаметр нижнего кольца равен диаметрам диэлектрического корпуса и рефлектора полусферической спирали (патент РФ 2422954).
Известно, что нижние концы ветвей полусферической спирали с целью улучшения РТХ на нижних частотах нагружены активными резисторами, включенными между нижними концами каждой из ветвей и металлическим рефлектором полусферической спирали.
Антенна сверхширокополосна, малогабаритна и имеет хорошие РТХ, однако установка нагрузочных резисторов усложняет конструкцию антенны, снижает ее технологичность. Для размещения резисторов потребовалось в нижнем поглощающем кольце выполнить выборки, а на рефлекторе полусферической спирали дополнительно установить контакты.
Целью изобретения является сверхширокополосная малогабаритная спиральная антенна упрощенной конструкции и повышенной технологичностью изготовления.
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 симмтерирующий трансформатор и металлические рефлекторы плоской и полусферической спирали, на которых установлены кольца из радиопоглощающих материалов, при этом внешний диаметр нижнего кольца равен диаметрам диэлектрического корпуса и рефлектора полусферической спирали. На боковой цилиндрической поверхности нижнего радиопоглощающего кольца выполнены спиральные канавки и в них уложены удлиняющие участки ветвей полусферической спирали.
На рис. 1 представлена конструкция антенны, где 1 - плоская спираль, 2 - верхнее кольцо из радиопоглощающего материала, 3 - металлический рефлектор плоской спирали, 4 - нижнее кольцо из радиопоглощающего материала, 5 - металлический рефлектор полусферической спирали, 6 - полусферическая спираль, 7 - диэлектрический корпус, 8 - согласующий симметрирующий трансформатор, 9 - спиральные канавки, 10 - удлиняющие участки полусферической спирали.
Конструкция антенны представляет собой комбинацию плоской и полусферической двухзаходных спиралей. Плоская спираль (1) выполнена в виде металлических токопроводящих ветвей, размещенных на диэлектрической пластине. Внутренние концы ветвей плоской спирали возбуждаются согласующим симметрирующим трансформатором (8); наружные концы ветвей плоской спирали соединены с внутренними концами проволочной полусферической спирали (6), закрепленной на диэлектрическом корпусе (7). Внутри диэлектрического корпуса на металлических рефлекторах (3 и 5) плоской и полусферической спиралей установлены верхнее кольцо (2) и нижнее кольцо (4) из радиопоглощающих материалов. На боковой цилиндрической поверхности нижнего радиопоглощающего кольца выполнены спиральные канавки (9) и в них уложены удлиняющие участки (10) ветвей полусферической спирали.
Сверхширокополосность антенны обеспечивается излучателем в виде комбинированной двухзаходной спирали совместно с поглощающим резонатором, состоящим из верхнего и нижнего радиопоглощающих колец, расположенных на рефлекторах соответственно плоской и полусферической спиралей.
Уменьшение уровня заднего излучения, улучшение эллиптичности излучаемого электромагнитного поля и, соответственно, дальнейшее расширение рабочего диапазона частот в область более низких частот без увеличения диаметра антенны достигается выполнением на боковой цилиндрической поверхности нижнего радиопоглощающего кольца спиральных канавок и укладка в них удлиняющих участков ветвей полусферической спирали. Радиопоглощающий материал нижнего радиопоглощающего кольца, находящийся в контакте с удлиняющими участками ветвей полусферической спирали, ослабляет токи, отраженные от концов проводников ветвей спирали, и, тем самым, выполняется функция нагрузочных резисторов.
Ввиду того, что удлиняющие участки ветвей полусферической спирали размещаются внутри спиральных канавок, диаметр антенны не изменяется.
ниж
Антенна более проста и технологична по сравнению с антенной-прототипом. В конструкции антенны уменьшается количество комплектующих деталей и сборочных узлов, снижается трудоемкость изготовления деталей, относящихся к местам установки резисторов. При этом РТХ и габаритно-весовые характеристики сверхширокополосной спиральной антенны полностью сохраняются. Габаритные размеры антенны (относительно λ - длины волны, соответствующей нижней частоте рабочего диапазона):
диаметр
(0,16-0,18) λ<sub>ниж</sub>
высота (без разъема)
0,12 λ<sub>ниж</sub>
Таким образом, выполнение на боковой цилиндрической поверхности нижнего радиопоглощающего кольца спиральных канавок и укладка в них удлиняющих участков ветвей полусферической спирали решило задачу упрощения конструкции антенна и повышения технологичности ее изготовления. Антенна работает в непрерывном диапазоне УВЧ и СВЧ с перекрытием 20:1.