ДВУХКАНАЛЬНАЯ ДВУХДИАПАЗОННАЯ КВАДРИФИЛЯРНАЯ АНТЕННА
DOUBLE-CHANNEL DUEL-BAND QUADRIFILAR ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве антенны приемного устройства спутниковой навигации.
Спиральные антенны широко используются в различных радиоэлектронных системах, в том числе и в системах навигации. К числу их достоинств относятся простота конструкции, относительно малые габариты и при этом односторонняя направленность излучения. Хорошо известны антенны на основе однозаходной спирали (Kraus J.D. "A 50-Ohm Input Impedance for Helical Beam Antennas" IEEE AP. V. AP-25. №6. P.913). Недостатками таких антенн являются их большие габариты, обусловленные тем, что для удовлетворительной работы антенны необходимо большое количество витков для формирования волны, бегущей вдоль спирали.
Многозаходные спирали, чаще всего двух- и четырехзаходные, могут иметь существенно меньшие габариты, поскольку они могут функционировать как резонансные антенны. Резонанс в антенне имеет место, когда длина проводников кратна четверти длины волны в свободном пространстве. Наибольшее распространение получили антенны с четверть- и полуволновыми плечами. Наименьшие габариты имеют четвертьволновые двух- и четырехзаходные спиральные антенны.
Предлагаемое техническое решение относится к четырехзаходным спиральным антеннам, которые также называют квадрифилярными антеннами. Достоинством таких антенн является возможность реализации в достаточно широком диапазоне частот направленного излучения круговой поляризации. В антенной технике полной характеристикой направленности излучения служит диаграмма направленности. Более простой характеристикой, принятой для описания антенн малых электрических размеров, является отношение интенсивности излучения вперед к интенсивности излучения назад (ОИВН). Этот параметр часто используется для описания многозаходных спиральных антенн, которые имеют максимум излучения вдоль оси спирали в одном направлении и минимум вдоль той же оси, но в противоположном направлении.
Квадрифилярные антенны отличаются разными схемами питания, существенно влияющими на их функционирование. Известна квадрифилярная антенна с одним элементом питания (патент США, №5170176, 1992). Недостатком такого технического решения является противоречие между требованиями к эллиптичности излучения и требованием согласования антенны. Эллиптичность антенны с круговой поляризацией характеризуется коэффициентом эллиптичности (КЭ), который в идеальном случае равен единице. В антенне с одним элементом питания невозможно одновременно обеспечить идеальное согласование и КЭ, равный единице. Поэтому обычно одним из важных параметров приходится поступаться. Кроме того, такая антенна имеет относительно узкую полосу рабочих частот.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой антенне является двухдиапазонная квадрифилярная антенна (патент США №4008479, 1977), содержащая схему питания и восемь спиральных излучателей, имеющих общую ось симметрии и расположенных со сдвигом 45 градусов друг относительно друга, объединенных в две группы из четырех одинаковых спиральных излучателей, сдвинутых друг относительно друга на 90 градусов, спиральные излучатели одной группы выполнены с длиной, отличной от длины спиральных излучателей другой группы.
В этой антенне имеется схема питания и восемь спиральных излучателей, изогнутых по спиралям, имеющим общую ось. Отличаются они угловым сдвигом на 45 градусов друг относительно друга. Спиральные проводники объединены в две группы по четыре одинаковых проводника, сдвинутых друг относительно друга на 90 градусов. Спиральные проводники в разных группах имеют разную длину. Возбуждение спиральных излучателей осуществляется с помощью схемы питания, которая имеет один вход и четыре выхода. Схема питания формирует на своих выходах напряжения с одинаковой амплитудой и сдвигом фаз на ±90 градусов. Наличие сдвига фаз вместе со спиральной формой излучателей обеспечивает с одной стороны, круговую поляризацию излучаемого поля, а с другой - высокое значение ОИВН.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, при использовании известной антенны, принятой за прототип, является крайне низкое входное сопротивление спиральных излучателей, составляющее единицы Ом. Согласование такого сопротивления с другими цепями, обычно рассчитанными на работу с нагрузками в 50 Ом, осуществляется с помощью специальных трансформаторов импеданса. Применение таких трансформаторов увеличивает габариты антенны, сужает ее полосу рабочих частот, повышает стоимость.
К недостаткам данной антенны относится также то, что она является одновходовой (одноканальной) антенной, в которой при работе на прием сигналы разных частотных диапазонов выделяются на общем входе.
Еще одним недостатком данной антенны является ее высокое аэродинамическое сопротивление, которое усложняет установку антенны в носовой части летательных аппаратов, которая имеет коническую форму. Установка цилиндрической антенны в этом месте либо увеличивает аэродинамическое сопротивление летательного аппарата, либо увеличивает объем, который занимает антенна.
Предлагаемое техническое решение нацелено на получение технического результата, выражающегося в расширении полосы рабочих частот, разделении сигналов двух частотных диапазонов по разным входам и снижении аэродинамического сопротивления.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что спиральные излучатели выполнены в виде конических спиральных излучателей, каждый из которых выполнен в виде отрезка линии передачи, содержащего основной и вспомогательный проводники, а также излучающего проводника, схема питания выполнена в виде двух квадратурных четырехканальных делителей мощности с одним входом и четырьмя выходами, выходы схемы питания содержат восемь центральных проводников и один общий проводник, основные проводники отрезков линий передачи соединены с одной стороны с центральными проводниками выходов схемы питания, а с другой стороны с излучающими проводниками, причем центральные проводники отрезков линий передачи различных групп спиральных излучателей соединены с центральными проводниками выходов различных квадратурных делителей мощности, вспомогательные проводники отрезков линий передачи соединены с общим проводником схемы питания, излучающие проводники спиральных излучателей сдвинуты друг относительно друга на 180 градусов и соединены друг с другом перемычками, а в излучающие проводники включены сосредоточенные резонансные контуры, причем резонансные частоты контуров, включенных в излучающие проводники спиральных излучателей одной группы, имеют одинаковые резонансные частоты, которые отличаются от резонансных частот контуров, включенных в излучающие проводники спиральных излучателей другой группы.
Возможны дополнительные варианты выполнения двухканальной двухдиапазонной квадрифилярной антенны, в которых:
- в антенну дополнительно введен диэлектрический конус, а спиральные излучатели расположены на поверхности указанного диэлектрического конуса;
- отрезки линий передачи выполнены в виде отрезков коаксиальных линий;
- отрезки линий передачи выполнены в виде отрезков двухпроводных полосковых линий, а излучающие проводники выполнены в виде полосковых проводников;
- резонансные контуры выполнены в виде параллельных контуров, причем резонансные частоты контуров, включенных в излучающие проводники спиральных излучателей с меньшей длиной меньше резонансных частот контуров, включенных в излучающие проводники спиральных излучателей с большей длиной;
- резонансные контуры выполнены в виде последовательных контуров, причем резонансные частоты контуров, включенных в излучающие проводники спиральных излучателей с меньшей длиной больше резонансных частот контуров, включенных в излучающие проводники спиральных излучателей с меньшей длиной.
Вариант выполнения двухканальной двухдиапазонной квадрифилярной антенны показан на фиг.1. Она состоит из схемы питания, которая имеет восемь выходов. Каждый выход имеет два проводника: общий проводник (2) и центральный проводник (1). В состав антенны входят восемь спиральных излучателей, изогнутых вдоль конической спирали. Излучатели расположены симметрично относительно оси симметрии антенны, которая одновременно совпадает с осью конуса реального или виртуального, на поверхности которого располагаются спиральные излучатели. Спиральные излучатели располагаются с угловым сдвигом в 45 градусов.
Спиральные излучатели выполнены из двух частей. Одна из них - это отрезок (3) линии передачи, другая часть - это излучающий проводник (4). Отрезок (3) линии передачи содержит два проводника, которые условно можно назвать основным и вспомогательным. На фиг.1 показан вариант выполнения двухканальной, двухдиапазонной квадрифилярной антенны с отрезками (3) линий передачи в виде коаксиальных линий. В этом случае роль основного проводника отрезка (3) линии передачи играет центральный проводник коаксиальной линии, а роль вспомогательного проводника отрезка (3) линии передачи играет экран коаксиальной линии. Излучающий проводник (4) одним концом электрически соединен с основным проводником отрезка (3) линии передачи, а другим концом с перемычкой (9), соединяющей излучающие проводники (4) спиральных излучателей, сдвинутых на 180°.
Другой конец каждого из основных проводников отрезка (3) линии передачи электрически соединен с центральным проводником (1) одного из выходов схемы питания. Вспомогательные проводники отрезков (3) линий передачи соединены электрически с общим проводником (2) схемы питания. В силу существенного влияния на СВЧ паразитных реактивностей соединительных проводов точка соединения вспомогательного проводника отрезка (3) линии передачи должна располагаться как можно ближе к соединению основного проводника отрезка (3) линии передачи и общего проводника (2) схемы питания, как показано на фиг.1.
1,2
1
2.
1
2
Спиральные излучатели разделяются на две группы (5) и (6) по четыре излучателя. В каждой группе они располагаются с угловым сдвигом в 90 градусов. Каждая группа излучателей обеспечивает функционирование антенны в своем диапазоне частот (назовем их первым и вторым), которые имеют центральные частоты f. Пусть для определенности f<f Тогда группа (5) спиральных излучателей, имеющих большую длину, работает в первом диапазоне с центральной частотой f, а группа (6) излучателей работает во втором диапазоне с центральной частотой f.
r1
2
r2
1
r2
r1.
В излучающие проводники (4) включены сосредоточенные резонансные контуры (7) и (8). Эти контуры могут быть как последовательными, так и параллельными. Контуры в каждой группе (5) и (6) спиральных излучателей имеют одинаковые резонансные частоты. Резонансные частоты контуров (7) и (8), включенных в разные группы спиральных излучателей, имеют разные резонансные частоты. Если контуры параллельные, то они на резонансной частоте имеют бесконечное реактивное сопротивление. В этом случае резонансные частоты f контуров (8) в группе (5) спиральных излучателей, функционирующих в первом (нижнем) частотном диапазоне близким к резонансной частоте f. Соответственно резонансные частоты f контуров (7) в группе (6) спиральных излучателей близки к частоте f. Таким образом, выполняется неравенство f<f
r1
1
r2
2
r2
r1.
При выполнении контуров по последовательной схеме на резонансной частоте они имеют нулевое реактивное сопротивление и поэтому резонансная частота f должна быть близка к f, а резонансная частота f - к частоте f. Соответственно резонансные частоты связаны следующим неравенством: f>f
Другой вариант выполнения двухканальной двухдиапазонной квадрифилярной антенны показан на фиг.2. Его особенностью является то, что отрезок (3) линии передачи выполнен в виде двухпроводной линии передачи, причем все ее проводники, а также излучающие проводники (4) выполнены в виде печатных проводников, которые могут располагаться на общей подложке из пленочного диэлектрика. Подложка наматывается на диэлектрический конус (10), что придает конструкции дополнительную механическую прочность. Реализация отрезков (3) линий передачи и излучающих проводников (4) в рамках печатной технологии существенно снижает стоимость антенны и повышает ее технологичность.
Схема питания состоит из двух квадратурных четырехканальных делителей мощности (назовем их первым и вторым делителем), каждый из которых обеспечивает функционирование антенны в своем диапазоне частот. При этом каждый делитель имеет один вход и четыре выхода. Центральные проводники (1) выходов соединены с основными проводниками отрезков (3) линий передачи. Первый делитель соединен со спиральными излучателями, функционирующими в первом диапазоне частот, а второй делитель со спиральными излучателями диапазона 2. Каждый из делителей удобно выполнить в виде полосковой платы, экран которой одновременно выполняет функцию соединенных вместе общих проводников (2) выходов схемы питания. Эти платы имеют общий экран, образующий общий проводник (2) схемы питания, а их полосковые проводники (11) и (12) располагаются по разные стороны от общего проводника (2), как показано на фиг.3. Выходы (13) первого квадратурного делителя мощности выполнены в виде проводников, соединенных с полосковыми проводниками (11). Они проходят через диэлектрические подложки полосковых плат и соединяются с основными проводниками отрезков (3) линий передачи. Выходы (14) второго квадратурного делителя мощности также выполнены в виде проводников, которые соединены с полосковыми проводниками (12). Они располагаются вне диэлектрических подложек и непосредственно соединяются с основными проводниками отрезков (3) линий передачи.
Пример выполнения первого квадратурного делителя мощности в виде полосковой платы показан на фиг.4. В схеме использованы синфазные делители мощности с отношением деления 1:1 и фазосдвигатели на отрезках полосковых линий передачи. Применение фазосдвигателей обеспечивает сдвиг фаз между напряжениями в выходных каналах на ±90 градусов, а использование синфазных равноамплитудных делителей мощности обеспечивает одинаковые амплитуды указанных выше напряжений. Квадратурный делитель мощности, показанный на фиг.4, имеет один вход (15) и четыре выхода (13), которые выполнены в виде металлизированных отверстий, проходящих через диэлектрическую подложку.
Рассмотрим функционирование антенны. В силу взаимности структуры ее работу можно рассматривать как в приемном, так и в передающем режимах. Рассмотрим ее для определенности в передающем режиме.
Пусть на вход первого делителя поступает волна от СВЧ генератора. Первый делитель формирует на своих выходах напряжения с одинаковыми амплитудами и сдвигом фаз на ±90 градусов. Знак сдвига фаз определяет тип круговой поляризации, которую излучает антенна: право- или левовинтовую. Выходные напряжения первого делителя через центральные проводники (1) прикладываются к центральным проводникам отрезков (3) линий передачи. Эти напряжения возбуждают волны в отрезках (3) линий передачи, которые распространяются вдоль этих отрезков и формируют на их выходах напряжения, возбуждают электрические токи, текущие вдоль излучающих проводников (4), а также по внешним поверхностям отрезков (3) линий передачи. Возбужденные токи, в свою очередь, возбуждают волны в свободном пространстве и формируют излучение круговой поляризации с требуемой диаграммой направленности.
1
4
Формирование направленного излучения круговой поляризации поясняется на фиг.5. На фиг.5 представлена упрощенная схема квадрифилярной антенны. В ней спиральные излучатели заменены наклонными прямолинейными излучателями, а напряжения на выходах отрезков (3) линий передачи заменены генераторами напряжений U-U, при этом
Z
x
x1,4
В силу того что питающие напряжения имеют одинаковую амплитуду и сдвинуты по фазе на 90 градусов, токи в плечах квадрифилярной антенны 1-4 также одинаковы по амплитуде и сдвинуты по фазе на 90 градусов. Отметим, что токи в прямолинейных излучателях имеют все три компоненты, но вертикальная компонента I не излучает вдоль оси антенны, то есть вдоль оси 0z. Поэтому она не влияет на отношение интенсивности излучения вперед - назад. Рассмотрим компоненту тока I. Она складывается из токов  и , текущих по наклонным излучателям, и из токов I, текущих по горизонтальным проводникам. Нижний горизонтальный проводник моделирует общий проводник схемы питания, а верхний горизонтальный проводник - перемычки, соединяющие излучающие проводники. Токи  обычно ослаблены по сравнению с токами, текущими по горизонтальным проводникам, так как распределение тока имеет нуль в середине наклонного проводника. Поэтому можно приближенно принять, что
x1
x2
x3
x4
x2
x4
x1
x3
Эти токи расположены на разных высотах и сдвинуты по фазе друг относительно друга. Пусть токи I расположены на нулевой высоте, токи I на высоте h, токи I на высоте 2h, и токи I на высоте 3h. Токи I и I имеют сдвиг по фазе на 90° относительно токов I и I.
Анализ излучения таких токов показывает, что их диаграмма направленности F(θ) в вертикальной плоскости (угол θ отсчитывается от оси 0z, нулевой угол соответствует излучению вперед), описывается следующей формулой:
где k - волновое число свободного пространства.
Параметр ОИВН при этом определяется следующим образом:
Из соотношения (4) видно, что параметр ОИВН стремится к бесконечности (излучение назад отсутствует), когда , то есть расстояние между токами равно четверти длины волны в свободном пространстве. При меньших расстояниях ОИВН может быть достаточно большой, но конечной величиной.
Излучение волн круговой поляризации в квадрифилярной антенне, показанной на фиг.5, легко объяснить из анализа токов, текущих вдоль проводников. Круговая поляризация возникает, когда имеются одинаковые по амплитуде токи, сдвинутые в пространстве на 90 градусов и имеющие сдвиг по фазе также на 90 градусов. Из сказанного выше следует, что именно такая ситуация наблюдается в квадрифилярной антенне. Если рассмотреть токи на парах излучателей 1-3 и 2-4, то можно заметить, что в пространстве они повернуты на 90 градусов, амплитуды их равны, а фазы отличаются на 90 градусов.
Выполнение части спирального излучателя в виде отрезка (3) линии передачи приводит к тому, что точка включения генератора напряжения может перемещаться по длине излучателя. Это реализует удобное для практического использования значение входного сопротивления излучателя, которое, как правило, находится в пределах 50-100 Ом.
1
Выбор необходимой величины входного сопротивления поясняется на фиг.6, на которой показано распределение электрического тока, текущего по поверхности спирального излучателя. Координата z направлена вдоль оси излучателя. Точка z=0 соответствует нижней части излучателя, расположенной около схемы питания, а точка z=L соответствует верхнему концу излучателя, совпадающему с обрывом излучающего проводника (4). Точка включения генератора напряжения расположена на расстоянии L от нижней части излучателя.
Распределение тока I(z) приближенно можно описать тригонометрической функцией . Тогда входное сопротивление излучателя Z оказывается пропорциональным отношению ЭДС генератора E к току I(z) в точке его включения:
1
Из соотношения (5) видно, что, варьируя расстояние L, можно изменять в широких пределах входное сопротивление Z.
Длина спирального излучателя определяет его рабочую частоту. Это связано с тем, что такой излучатель является резонансным устройством, функционирующим в некоторой ограниченной полосе частот. Приближенно условие резонанса можно записать следующим образом:
где λ - длина волны в свободном пространстве. Из соотношения (6) видно, что длина излучателя обратно пропорциональна центральной частоте его рабочего диапазона. По этой причине спиральные излучатели, функционирующие в нижнем частотном диапазоне, имеют длину, большую спиральных излучателей, функционирующих в верхнем диапазоне частот.
Особенностью двухдиапазонной квадрифилярной антенны является ее одновременное функционирование в двух разных диапазонах частот, которое существенно усложняется взаимной связью групп (5) и (6) спиральных излучателей, которая происходит через свободное пространство и не может быть устранена по цепям питания. Наличие такой связи приводит к ряду отрицательных явлений, к которым относятся следующие. Часть энергии, излученной группой излучателей на частоте ее настройки, принимается излучателями другой группы и рассеивается в нагрузке входа ее подсхемы питания. Это приводит к потерям мощности и снижает коэффициент усиления антенны. Кроме того, наличие взаимной связи усложняет настройку антенны, так как она изменяет собственные резонансные частоты излучателей, что приводит к смещению рабочих диапазонов частот при совместной работе в составе двухдиапазонной антенны.
r1
1
r2
2
2
1
1
2
Для ослабления связи двух групп (5) и (6) спиральных излучателей в их излучающие проводники (4) вводятся резонансные контуры на сосредоточенных элементах. Эти контуры могут быть как параллельными, так и последовательными. При использовании последовательных контуров их резонансные частоты f в группе (5) спиральных излучателей выбираются близкими к центральной частоте первого частотного диапазона f, a резонансные частоты контуров f в группе (6) спиральных излучателей выбираются близкими к центральной частоте второго частотного диапазона f. В этом случае в пределах своих рабочих диапазонов контуры имеют малое реактивное сопротивление и не влияют на работу своих групп (5) и (6) спиральных излучателей. При отстройке частоты от резонансной реактивное сопротивление контура быстро возрастает, и поэтому контуры в группах (5) и (6) спиральных излучателей на частотах f и f соответственно имеют большие сопротивления. Поэтому токи, наводимые спиральными излучателями группы (5) на спиральных излучателях группы (6) на частоте f, малы. Точно также малыми оказываются токи, наводимые спиральными излучателями группы (6) на спиральных излучателях группы (5) на частоте f. Уменьшение токов приводит к ослаблению взаимной связи групп излучателей. Следует отметить, что использование последовательных контуров обеспечивает полное отсутствие их влияния на свою группу излучателей. Степень подавления токов на соседней группе излучателей оказывается конечной величиной, то есть полное подавление тока отсутствует.
1
r2
1
r1
2
2
Применение параллельных контуров, наоборот, обеспечивает бесконечное реактивное сопротивление группы (6) спиральных излучателей на частоте f за счет выбора резонансных частот контуров этой группы f=f. Аналогично в группе (5) излучателей параллельные контуры имеют резонансные частоты f=f, что обеспечивает минимум наводимых токов в этой группе излучателей на частоте f. При этом влияние контуров на работу своих групп излучателей остается конечным. Это делает необходимым осуществлять настройку этих излучателей с учетом присутствия в них контуров.
Экспериментальные диаграммы направленности, полученные в диапазонах L1,2 с центральными частотами 1590 МГц и 1245 МГц соответственно изображены на фиг.7 и 8. График на фиг.7 соответствует диапазону L1, а на фиг.8 - диапазону L2.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- антенное устройство, воплощающее заявленное изобретение, предназначено для использовании в промышленности, а именно в технике антенн, например, в качестве приемной антенны устройства спутниковой навигации;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств;
- антенное устройство, воплощающее заявленное изобретение, позволяет реализовать следующий технический результат: расширить полосу рабочих частот, разделить сигналы двух частотных диапазонов по разным входам, снизить аэродинамическое сопротивление и таким образом снизить стоимость и повысить технологичность радиоэлектронных систем.