Спиральді антенналар

В технической литературе имеется большое количество теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию диаграмм направленности эквиугольных спиральных антенн. Однако в этих работах исследуются диаграммы направленности эквиугольных спиральных антенн с угловыми параметрами fro и а, ограниченными небольшими пределами. В [16, 57] получены формулы для диаграмм направленности конических спиральных антенн с величинами углов конусности и намотки, удовлетворяющих условию sindotgaCl, но использование их для инженерных расчетов затруднительно, поскольку формулы представляют собой суммы комплексных полей витков. По этой же причине выражения для поля излучения, приведенные в [16, 57], не удобны для получения формул для фазовых и поляризационных характеристик эквиугольных спиральных антенн В известной литературе отсутствуют формулы для расчета диаграммы направленности многозаходных эквиугольных спиральных антенн, а также нет достаточно обширных семейств расчетных графиков диаграмм направленности эквиугольных спиральных антенн для различных угловых параметров до и а и при различном числе заходов антенны. [12]

В технической литературе имеется большое количество теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию диаграмм направленности эквиугольных спиральных антенн. Однако в этих работах исследуются диаграммы направленности эквиугольных спиральных антенн с угловыми параметрами fro и а, ограниченными небольшими пределами. В [16, 57] получены формулы для диаграмм направленности конических спиральных антенн с величинами углов конусности и намотки, удовлетворяющих условию sindotgaCl, но использование их для инженерных расчетов затруднительно, поскольку формулы представляют собой суммы комплексных полей витков. По этой же причине выражения для поля излучения, приведенные в [16, 57], не удобны для получения формул для фазовых и поляризационных характеристик эквиугольных спиральных антенн В известной литературе отсутствуют формулы для расчета диаграммы направленности многозаходных эквиугольных спиральных антенн, а также нет достаточно обширных семейств расчетных графиков диаграмм направленности эквиугольных спиральных антенн для различных угловых параметров до и а и при различном числе заходов антенны. [13]

 
Изобретение относится к антеннам сантиметрового, дециметрового и метрового диапазонов с эллиптической поляризацией излучения и может быть использовано в приемо-передающих системах радиосвязи и радиопеленгации, например, для связи с искусственными спутниками земли, в летательных аппаратах и передающих станциях. В ближней зоне активного излучателя с эллиптической поляризацией излучения (например, активной цилиндрической спирали 1, размещенной над металлическим экраном 3) помещают пассивную цилиндрическую спираль (ПЦС) 4 с направлением намотки витков, противоположным направлению вращения вектора электрической составляющей электромагнитной волны, излучаемой активным излучателем. Облучая ПЦС, возбуждают в ней бегущую волну тока, фаза которой в каждом витке зависит от расстояния до активной цилиндрической спирали 1. Сложение электромагнитных волн активной ЦС и ПЦС 4 в дальней зоне формирует ДН антенны. Перемещение ПЦС в осевом направлении изменяет разность фаз между бегущими волнами токов в активной ЦС 1 и ПЦС 4 в каждом из витков и соответственно разность фаз излучаемых полей. Благодаря этому, происходит усиление или ослабление суммарного электромагнитного поля в дальней зоне в зависимости от рангов возбуждаемых в спиралях волн токов. Ранги основных бегущих волн токов задаются конструктивно выбором длины витка спиралей.

При длине витка активный ЦС La = (0,7 - 1,05)   и ПЦС Ln   1,5 l , где l - длина волны в свободном пространстве, наблюдается преобразование диаграммы направленности системы активный излучатель - ПЦС из конического вида в ненаправленный и осевой. Возвратно-поступательное перемещение ПЦС при этом обеспечивает возможность не только получения большого числа спиральных антенн с заданными диаграммами направленности, но и сканирование радиолуча. 2 с.п 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к антенной технике, а именно к спиральным антеннам, и может быть использовано в приемо-передающих устройствах метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов длин волн с эллиптической и круговой поляризацией излучения.

Известна спиральная антенна, содержащая активную спираль, расположенную над металлическим экраном (обшивкой летательного аппарата) и пассивный элемент (в виде скрещенных вибраторов), установленный на держателе из радиопрозрачного материала с возможностью перемещения вдоль оси активной спирали [1] Известная антенна позволяет осуществить частотную перестройку с целью сохранения ее диаграммы направленности при изменении рабочей частоты за счет перемещения пассивного элемента вдоль оси спирали, изменения размеров пассивного элемента за счет выдвижения стержней и т.п.

Указанные особенности известной спирали антенны препятствуют созданию антенны с эллиптической поляризацией излучения с несколькими диаграммами направленности, а также изменению местоположения луча (максимум излучения) в пространстве.

Известен способ создания диаграммы направленности излучателя, включающий возбуждение активного излучателя и пассивного формирователя [2] В качестве формирователя диаграммы направленности в известном способе используется голограмма вводимая в ближнее поле активного излучателя. Однако получение голограммы технически сложно или невозможно в дециметровом и метровом диапазонах длин волн. В виду особенностей голографического метода число возможных преобразований диаграммы направленности активного излучателя определяется числом формирователей, т.е. ограничено. Направление излучения задается формирователем и неизменно. Другими словами, известным способом нельзя получить несколько видов диаграммы направленности (ДН) с помощью одного формирователя.

Наиболее близким к предлагаемому является способ создания диаграммы направленности антенны, заключающийся в том, что возбуждают активный спиральный излучатель с эллиптической поляризацией излучения и пассивный спиральный излучатель, перемещают пассивный спиральный излучатель вдоль направления излучения активного спирального излучателя до формирования в дальнейшей зоне требуемой диаграммы направленности [3] Наиболее близкой к заявляемой является спиральная антенна, реализующая вышеуказанный способ и содержащая активный и пассивный спиральные излучатели, установленные с возможностью перемещения друг относительно друга вдоль их общей оси [3] В качестве активного излучателя с эллиптической поляризацией излучения в известном способе и антенне используют подключенную к фидеру плоскую спираль, а в качестве пассивной спирали сужающуюся коническую спираль. Плоская спираль формирует электромагнитную волну с эллиптической поляризацией излучения, которая при облучении возбуждает коническую спираль, складываясь в дальней зоне электромагнитные волны от плоской и конической спиралей формируют диаграмму направленности (ДН) антенны осевого вида.

Изменением местоположения в конической спирали относительно плоской, достигаемым перемещением, добиваются улучшения направленности активного излучателя (т. е. антенны в целом) за счет пассивной конической спирали, что выполняется лишь для верхних частот. Для более низких частот коническая спираль приводит к расширению ДН с сохранением ее осевого вида. Число возможных создаваемых при относительном перемещении конической спирали ДН несколько, а направление луча (максимума излучения) при этом неизменно. В силу этого известный способ имеет ограниченные возможности в создании антенны путем формирования их ДН. Число построенных антенн по известному способу и реализующей его спиральной антенне с эллиптической поляризацией излучения ограничено несколькими фиксированными положениями пассивной конической спирали в ближней зоне активного излучателя.

Предлагаемым способом и антенной решается задача построения максимального количества антенн с эллиптической поляризацией излучения путем перестройки ДН антенны расположением у активного излучателя пассивного элемента, в частности задача создания антенны с перестраиваемым типом ДН. Основной технический результат заявляемого изобретения заключается в увеличении числа создаваемых антенн с эллиптической поляризацией излучения.

Первый дополнительный технический результат изобретения заключается в возможности достижения в максимальной степени основного технического результата для антенн с ДН любого вида.

Второй дополнительный технический результат изобретения заключается в возможности получения максимального числа созданных антенн за счет последовательной перестройки конического вида ДН в осевой и наоборот из осевого в конический.

Достижение основного технического результата обеспечивается тем, что в способе создания диаграммы направленности антенны, заключающемся в том, что возбуждают активный спиральный излучатель с эллиптической поляризацией излучения и пассивный спиральный излучатель, перемещают пассивный спиральный излучатель вдоль направления излучения активного спирального излучателя до формирования в дальней зоне требуемой диаграммы направленности, в качестве пассивного спирального излучателя используют цилиндрическую спираль с направлением намотки. противоположным направлению намотки активного спирального излучателя, а перемещение пассивного спирального излучателя осуществляют в пределах 3   от точки возбуждения активного спирального излучателя, где l рабочая длина возбуждения антенны.

Достижение основного и первого дополнительного результата обеспечивается с помощью устройства, реализующего способ спиральной антенны, содержащий активный и пассивный спиральные излучатели, установленные с возможностью перемещения друг относительно друга вдоль их общей оси и отличающейся тем, что она дополнительно содержит отражающий экран, а в качестве активного и пассивного спиральных излучателей использованы цилиндрические спирали, длины витков которых выбраны из условия возбуждения в них волн, различающихся не более, чем на один порядок, причем активный и пассивный излучатели установлены над металлическим экраном. Кроме того, длины витков активной La и пассивной Lп цилиндрических спиралей удовлетворяют соотношению:   где   рабочая длина волны возбуждения антенны.

Существо предлагаемого способа заключается в следующем.

Активный излучатель при возбуждении излучает эллиптически поляризованную электромагнитную волну и имеет в дальней зоне определенный вид ДН. При размещении на расстоянии не более 3 l от точки возбуждения вдоль направления активного излучателя пассивной цилиндрической спирали с направлением намотки. противоположном направлению намотки. активного спирального излучателя, в пассивной спирали возбуждается бегущая волна тока, а затем волна излучения, тип (порядок) которой определяется конструктивными параметрами цилиндрической спирали. Результирующее поле от активного и пассивного излучателей в дальней зоне имеет вид, определяемый амплитудно-фазовым суммированием полей от волн, излучаемых активным спиральным излучателем и пассивной цилиндрической спиралью.

При возбуждении активного спирального излучателя и пассивной цилиндрической спирали с противоположным направлением намотки витков в пассивной цилиндрической спирали могут возникать токи с составляющими, совпадающими по направлению вдоль оси спирали с соответствующими составляющими токов (поля) активного излучателя и не совпадающие по направлению в плоскости, перпендикулярной оси. Или наоборот, если в горизонтальной плоскости (перпендикулярной оси спирали) составляющие токов (и полей возбуждения) совпадают по направлению, то в вертикальной они противоположны по направлению. Благодаря этому, токи в одних направлениях создают поля совпадающие по фазе, а в других формируют поля в противофазе. При этом в дальней зоне наблюдаются эффекты усиления либо ослабления излучения в разных направлениях.

Электромагнитная волна от активного излучателя возбуждает в пассивной цилиндрической спирали токи, у которых одни координатные компоненты обязательно будут в фазе, а ортогональные им обязательно в противофазе к соответствующим координатным компонентам возбуждающего поля. При перемещении пассивной цилиндрической спирали на расстоянии до 3 l происходит резкое изменение разности фаз у горизонтальных и вертикальных составляющих токов и полей возбуждения, поскольку одни из координатных компонентов токов заведомо находятся в фазе, а другие в противофазе к аналогичным компонентам электромагнитного поля возбуждения. То есть ДН антенны, образованной активным излучателем и пассивной цилиндрической спиралью с противоположной намоткой, оказывается наиболее чувствительной к продольным осевым перемещениям пассивной цилиндрической спирали. Возникающие при этом резкое усиление или ослабление в дальней зоне суммируемого электромагнитного излучения по разным направлениям достигает такого количественного уровня, который позволяет осуществлять построение заданных ДН антенны, т.е. перестраивать ДН в соответствии с тактико-технологическими задачами.

Конечный (заданный) вид диаграммы направленности предопределяется порядком бегущих волн токов (волн излучения), возбуждаемых в активном излучателе и в пассивной цилиндрической спирали, (что в свою очередь детерминируется конструкцией излучателя и пассивной цилиндрической спирали).

Так, если в активном излучателе возбуждается электромагнитная волна эллиптической поляризации порядка T1, то, используя пассивную цилиндрическую спираль, длина витка которой соответствует возможности возбуждения волны порядка T2 (выражение 1), можно получить ряд антенн, состоящих из одного и того же активного излучения и одного и того же пассивного формирователя (пассивная цилиндрическая спираль ПЦС), основные характеристики которой (в первую очередь ДН) будут определяться местом размещения пассивной спирали относительно активного излучателя на расстоянии (0+3) l При плавном перемещении пассивной цилиндрической спирали вдоль оси активного излучателя, начиная с некоторого расстояния от свободного конца активной цилиндрической спирали произойдет последовательная перестройка ДН антенны из осевого типа в ненаправленный, а затем в конический (воронкообразный) тип и далее снова в ненаправленный и осевой тип. При обратном движении ПЦС преобразование происходит наоборот.

При возбуждении в активном излучателе волны порядка T2, а в пассивной цилиндрической спирали T3 при движении ПЦС вдоль оси от излучателя происходит сохранение конического вида ДН, однако при этом происходит изменение (увеличение-уменьшение) углов места, а за счет этого числа антенн с заданными ДН. Максимальный угол места, который можно при этом получить, оказывается большим, чем углы места в ДН отдельно от активного излучателя или углы места от цилиндрической спирали (независимо является ли она пассивной либо запитывается активно).

При возбуждении в активном излучателе волны порядка T1, а в пассивной цилиндрической спирали волны порядка T1, но при меньшей длине витка пассивной цилиндрической спирали, чем в активном цилиндрическом излучателе, выполненном в виде цилиндрической спирали, при перемещении пассивной цилиндрической спирали наблюдается сужение ДН и резкое возрастание коэффициента направленного действия в осевом направлении и, соответственно, коэффициента усиления.

Зная или задавая основной порядок волны возбуждения активного излучателя, можно подобрать пассивную цилиндрическую спираль, при размещении и перемещении которой на расстоянии до 3 l от точки возбуждения, можно получить заданные виды ДН, т.е. создать тем самым новые спиральные антенны.

Выбор только длины витка спирали в качестве критерия для задания типа бегущей волны тока (порядка волны возбуждения) в активной и пассивной спиралях недостаточен при преобразованиях ДН вида коническая-ненаправленная-осевая и наоборот, поскольку при этом возможно возникновение паразитных лепестков, существенное изменение коэффициента усиления и коэффициента элиптичности. При выборе длин витков спиралей не в соответствии с требованиям выражения (1) при значениях La меньших 0,7 l наблюдается уменьшение коэффициента бегущей волны до уровня 0,3, а коэффициента эллиптичности до уровня 0,4, а при превышении значения La 1,05 l наблюдается падение коэффициента бегущей волны до уровня 0,2, а коэффициента эллиптичности до уровня 0,3. При выполнении условий (1) искажения создаваемых ДН незначительны, а при перестройке одного вида ДН в другой уровень боковых лепестков не превышает 1% При использовании в заявляемой спиральной антенне в качестве активного излучателя цилиндрической спирали, а в качестве пассивного излучателя цилиндрической спирали с направлением намотки, совпадающим с направлением намотки активной цилиндрической спирали, при соблюдении вышеописанных принципов создания волн возбуждения возможно получение преобразования ДН осевая-ненаправленная-коническая и аналогичных вышеописанным эффектов создания ДН антенны, однако число получаемых при этом антенн меньше, уменьшается коэффициент эллиптичности при малых углах места, возможность достижения максимальных углов места по сравнению с заявляемым способом, что обусловлено меньшей чувствительностью ДН к продольным перемещениям на расстояние до 3 l в направлении излучения активной цилиндрической спирали.