малогабаритная широкополосная антенна однонаправленного излучения с круговой поляризацией

Формула изобретения

Малогабаритная широкополосная антенна однонаправленного излучения с круговой поляризацией, содержащая спиральные проводники, отличающаяся тем, что выполнена в виде подсоединенных к общим входным клеммам импедансной двухзаходной электрической спирали и повернутой относительно нее на 90° импедансной двухзаходной магнитной спирали, при этом электрическая и магнитная спирали расположены в одной плоскости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к антенной технике, в частности к спиральным антеннам различного назначения, например, используемым в наземных приемниках спутниковых систем связи.

Из предшествующего уровня техники известна коническая спиральная антенна с двойной круговой поляризацией, содержащая левую и правую проводящие спирали. При последовательном возбуждении этих спиралей излучается волна с левой или правой круговой поляризацией, см. патент Великобритании № 2174249, М.кл. H01Q 9/27, 1986 г.

Недостатками этой антенны являются большие размеры, сравнимые с максимальной рабочей длиной волны, и резкое изменение поляризационных характеристик по рабочему сектору углов.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа заявленного изобретения, является плоская спиральная антенна. Она содержит размещаемые в одной плоскости со сдвигом 90° четыре идентичные проводящие однонаправленные спирали, объединенные по входным клеммам в группу и подсоединенные к двум коаксиальным кабелям. См. патент Великобритании № 2207556, М.кл. H01Q 9/27, 1986 г.

Недостатками этой антенны являются двунаправленное излучение, а также большой диаметр, сравнимый с 1/3 максимальной рабочей длиной волны, и резкое изменение поляризационных характеристик по рабочему сектору углов.

Технической задачей, решаемой заявленным изобретением, является устранение указанных недостатков, а именно снижение габаритов антенны, снижение уровня излучения в нижнее полупространство и сохранение круговой поляризации по рабочему сектору углов.

Решение указанной задачи обеспечивается за счет размещения в одной плоскости импедансной двухзаходной электрической спирали и повернутой относительно нее на -90° импедансной двухзаходной магнитной спирали, которые подключены к общим входным клеммам.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показан общий вид предложенной антенны.

Предложенная плоская антенна состоит из импедансной двухзаходной электрической спирали 1 и импедансной двухзаходной магнитной спирали 2 с общими входными клеммами 3.

Принцип работы заявляемого устройства заключается в следующем. При распространении по спирали (электрической или магнитной) волны тока, коэффициент ее распространения - k составляет - где: - длина рабочей волны.

Если набег фазы на витке спирали диаметра D равен k× ×D=2× , то виток спирали интенсивно излучает или поглощает энергию (D имеет диапазон значений - не более наружного D_max и не менее внутреннего D_min диаметра витка спирали). При прочих фазовых соотношениях энергетический обмен незначителен (см., например [3], стр.393).

Если спираль 1 выполнена в виде индуктивного импедансного проводника, то коэффициент распространения волны тока увеличивается, а резонансный диаметр витка уменьшается. Физика эффекта замедления скорости распространения волны тока по такому проводнику корректно рассмотрена в [4], стр.369. Простейший вид импедансного электрического проводника - цилиндрическая проводящая спираль с диаметром d и шагом h много меньше рабочей длины волны , при этом погонное индуктивное сопротивление регулируется изменением величины шага h.

Детальный анализ, выполненный автором, показывает, что, например, для тонкого импедансного электрического проводника коэффициент распространения тока по его поверхности k_e равен:

где:

Z - погонное индуктивное сопротивление проводника;

- волновое сопротивление свободного пространства. Особенностью спиральной антенны, является то, что при увеличении коэффициента распространения, пропорционально снижается диаметр D ее рабочего витка спирали т.е. для тонкого импедансного электрического проводника справедливо выражение:

В дециметровом диапазоне длин волн технически просто реализуются условия

т.е. по сравнению с обычной плоской спиральной антенной диаметр рабочего витка уменьшается в 3 раза.

Выше рассмотрена двухзаходная плоская электрическая спираль 1, являющаяся частью предлагаемой антенны. Она имеет симметричные диаграммы направленности излучаемого поля как в верхней, так и в нижней полусферах. Предлагается дополнить импедансную электрическую двухзаходную спираль 1 импедансной магнитной двухзаходной спиралью 2 повернутой на -90° относительно спирали 1 (и в плоскости этой спирали). Простейший вид импедансного магнитного проводника (из которого изготавливается магнитная спираль) - соосная последовательность колец с диаметром d и шагом h много меньше рабочей длины волны , создающей магнитный момент (вопрос формирования которого детально рассмотрен в [5] стр.416). Погонное емкостное сопротивление указанной последовательности колец регулируется изменением величины их шага - h. Для коэффициента распространения тока по импедансной магнитной спирали k_m и для диаметра рабочего витка спирали D справедливы приведенные выше формулы, но с заменой погонного индуктивного сопротивления на погонное емкостное сопротивление.

В предлагаемой конструкции электрическая 1 и магнитная 2 импедансные спирали имеют одинаковы размеры, а также замедление (коэффициент распространения тока вдоль проводника), при этом между входным магнитным током магнитной спирали l_m и входным электрическим током электрической спирали l_э установлена пропорция I_m= ·I_э, т.е. предложен полный аналог элемента Гюйгенса (см., [3] стр.42-44, 297). Особенностью элемента Гюйгенса является то, что вне зависимости от вида поляризации он имеет диаграмму направленности по полю следующего вида:

,

где - угол, отсчитываемый от нормали к плоскости антенны.

Из этого выражения видно, что для любой поляризации при угле =180°, соответствующем нижней полусфере, излучение отсутствует. А для =0°, имеем максимальный уровень излучения - 1.

Таким образом, предложенная антенна имеет по сравнению с прототипом значительно меньшие размеры, стабильность поляризационных характеристик в рабочем секторе углов и отсутствие излучения в нижнюю полусферу.

ЛИТЕРАТУРА

1. Коническая спиральная антенна с двойной поляризацией. Патент Великобритании № 2174249, М.кл. H01Q 9/27.

2. Спиральная антенна. Патент Великобритании № 2207556, М.кл. H01Q 9/27.

3. Марков С.Д., Сазонов Д.М. Антенны. - М.: Энергия, 1975 г.

4. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. - М.: Наука, 1973 г.

5. Р.Кинг, Г.Смит. Антенны в материальных средах. Т.1. - М.: Мир, 1984 г.

6. Г.Т.Марков, А.Ф.Чаплин. Возбуждение электромагнитных волн. - М.: Энергия, 1967 г.