СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА
HELICAL ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике, в частности к широкополосным спиральным антеннам, работающим в диапазонах сверхвысоких (СВЧ) и крайневысоких (КВЧ) частот.
Спиральные антенны достаточно хорошо известны: плоские, конические, цилиндрические, выполненные на телах вращения с криволинейной образующей, таких как сфера, параболоид, эллипсоид вращения (О.А. Юрцев, А.В. Рунов, А.Н. Казарин. Спиральные антенны. «Советское радио». М., 1974 г., с. 4, 190).
При проектировании современных радиотехнических систем обычно требуется максимальная широкополосность антенн при минимальных габаритных размерах. Если нижняя частота рабочего диапазона спиральных антенн в основном определяется максимальными поперечными размерами их излучающих структур, то в области верхних частот широкополосность ограничена достижимой точностью и технологическими трудностями выполнения проводников спирали и устройства питания в области возбуждения.
Необходимая точность изготовления проводников спирали, и устройства питания относительно просто может быть достигнута при изготовлении указанных элементов методом фотохимического травления плоских поверхностно металлизированных диэлектрических пластин. В связи с этим плоские спиральные антенны с печатным микрополосковым исполнением проводников спирали и устройства питания более широкополосны в области верхних частот, чем другие типы спиральных антенн.
Кроме надлежащего изготовления спиральной платы и устройства питания на работоспособность антенны и ее широкополосность в верхнем участке рабочего диапазона значительно влияет конструктивное исполнение области перехода от устройства питания к проводникам спирали.
Известна спиральная антенна (JPS6179306(A) - 1986-04-22, H01Q 11/04, H01Q 17/00). Антенна представляет собой плоскую спираль, нанесенную на подложку из диэлектрика, и установленную на цилиндрическом резонаторе, изготовленном с использованием углеродных волокон. На дне резонатора расположен поглотитель. Спираль возбуждается симметрирующим устройством, соединенным с проводниками спирали посредством отрезков проволоки-соединителя. Антенна обладает хорошей направленностью в широком диапазоне частот и малым весом. Каких-либо сведений о симметрирующем устройстве и соединителях и об их влиянии на радиотехнические характеристики антенны не приводится.
В плоских спиральных антеннах СВЧ и КВЧ диапазонов в качестве устройств питания широко используются плавные переходы от коаксиальной к двухпроводной линии - кососрезанный или клинообразный трансформатор (В. Рамзей. Частотно независимые антенны. Издательство «Мир». Москва, 1968 г., стр. 20, 21. Сверхширокополосные антенны. Под редакцией Л.С. Бененсона. Издательство «Мир». Москва, 1964 г., стр. 386).
Известен и успешно используется микрополосковый вариант клинообразного трансформатора (Карл Ротхаммель. Антенны. Том 1. ОМО «Наш город», 2001 г., стр. 140). В антеннах проводники двухпроводной линии трансформатора и точки питания излучающей структуры гальванически соединяются отрезками проволоки - соединителями, пропущенными через отверстия в контактных площадках и в диэлектрической подложке.
При относительной простоте таких соединений конструкция области перехода технологически несовершенна. Ввиду того, что в высокочастотных антеннах соединители должны быть короткими, возникает необходимость выполнения сложных ступенчатых паек припоями с разной температурой плавления. При сборке антенн сложно добиться точного совмещения выводов трансформатора и отверстий в контактных площадках проводников спиралей, что приводит к изгибам соединителей. Нарушения требуемого взаимного положения трансформатора и спиральной платы, изгибание и скручивание соединителей влияют на уровень согласования антенны и на амплитудно-фазовое распределение токов в активной зоне в центре спиральной платы. Как следствие, искажается форма диаграмм направленности (ДН) и увеличивается уровень бокового излучения. Это ограничивает широкополосность антенны в верхней части рабочего диапазона частот.
Известен согласующий симметрирующий трансформатор (патент РФ №2448383), представляющий собой микрополосковый вариант клинообразного трансформатора, который помещен в металлический экран и дополнен двумя отрезками субминиатюрного коаксиального кабеля. Отрезки субминиатюрного кабеля экранами гальванически соединены между собой и с экраном трансформатора и включены центральными проводниками между выходами трансформатора и точками питания антенны. Указанный трансформатор обеспечивает расширение рабочего диапазона в область более высоких частот (СВЧ и КВЧ), однако он увеличивает продольный размер антенны и является довольно сложным в изготовлении. Другой его недостаток - необходимость использования в конструкции антенны регулировочных прокладок для обеспечения определенного зазора между спиральной платой и торцами экранов субминиатюрных кабелей с целью удовлетворительного согласования антенны.
Целью настоящего изобретения является разработка широкополосной малогабаритной плоской спиральной антенны с увеличенной рабочей полосой частот в СВЧ и КВЧ диапазонах, упрощенной конструкции и повышенной технологичностью изготовления.
Указанная цель достигается тем, что в спиральной антенне, содержащей двухзаходную плоскую печатную спиральную плату, цилиндрический резонатор и возбуждающее устройство в виде микрополоскового варианта клинообразного трансформатора, в центральной части спиральной платы между контактными площадками спиральных проводников выполняется одно отверстие, в которое проходит конец трансформатора, оканчивающийся двухпроводной линией. Каждый из проводников двухпроводной линии гальванически соединяется непосредственно с соответствующим проводником спирали.
На рисунке 1 изображена конструкция антенны, где 1 - спиральная плата, 2 - проводники спирали, 3 - проводники двухпроводной линии, 4 - цилиндрический резонатор, 5 - микрополосковый вариант клинообразного трансформатора, 6 - выходной разъем.
Спиральная антенна состоит из плоской двухзаходной печатной спиральной платы, металлического цилиндрического резонатора и возбуждающего устройства в виде микрополоскового варианта клинообразного трансформатора. В центральной части спиральной платы между контактными площадки спиральных проводников выполнено одно сквозное отверстие. В него проходит конец трансформатора, оканчивающийся двухпроводной линией. Каждый из проводников двухпроводной линии гальванически соединяется непосредственно (без дополнительных соединителей) с соответствующей контактной площадкой проводника спирали.
Вполне определенное положение трансформатора относительно ветвей спирали и отсутствие соединителей, подверженных изгибам и скручиванию, положительно влияют на уровень согласования антенны и на амплитудно-фазовое распределение токов в активной зоне в центре спирали. Это позволяет получить стабильные неискаженные ДН и низкий уровень бокового излучения антенны в рабочем диапазоне, расширенном в области более высоких частот (СВЧ и КВЧ).
Исключение из состава антенны соединителей и регулировочных прокладок упрощает ее конструкцию и уменьшает продольную длину.
Монтаж трансформатора, проходящего через отверстие спиральной платы, не требующий использования дополнительных соединителей и ступенчатых паек, значительно улучшает технологию изготовления антенны, обеспечивает высокое качество сборки и стабильность радиотехнических характеристик.
Таким образом, предложенное расположение трансформатора, проходящего через отверстие спиральной платы, обеспечивает расширение рабочей полосы частот в СВЧ и КВЧ диапазонах, уменьшение продольного размера антенны, упрощение конструкции и повышение технологичности изготовления.
Спиральная антенна предлагаемой конструкции работает в диапазонах СВЧ и КВЧ с перекрытием 4:1. Антенна имеет удовлетворительные осесимметричные ДН с шириной по уровню минус 3 дБ, изменяющиеся от 90° в нижней части рабочего диапазона частот до 52° в его верхней части. Отклонение ДН от продольной оси антенны не более 10°. Уровень боковых лепестков не более 6%. Поляризация антенны - эллиптическая, коэффициент эллиптичности по мощности не менее 0,75. Коэффициент стоячей волны по напряжению не более 2,1.
Габаритные размеры антенны с разным исполнением выходного разъема: длина 15,5 (23)×27×17 мм. Раскрыв антенны - диметр 12 мм. Вес - 12 (16) г.
Приведенные характеристики полностью удовлетворяют техническим требованиям к антенне.