Спиральді антенналар

Предлагаемый способ осуществлю следующим образом.

По известным техническим характеристикам активного излучателя с эллиптической поляризацией излучения выбирают пассивную цилиндрическую спираль (ПЦС) с длиной витка, соответствующей заданному виду преобразования ДН (конический вид в конический, осевой в осевой, конический-ненаправленный-осевой и т.п.) и с направлением намотки витков противоположным нарпавлению вращения плоскости поляризации активного излучателя. Устанавливают ПЦС в ближней зоне активного излучателя. Выбор ПЦС осуществляют, например, для средней рабочей длины рабочего диапазона lср. Перемещают ПЦС в пределах (0+3   ) вдоль активного излучателя в заданную точку, соответствующую требуемой ДН, закрепляют ПЦС в положении соответствующем заданной ДН. При необходимости осуществляют регистрацию ДН при перемещении ПЦС, добиваясь требуемого вида ДН или заданных ее параметров.

При преобразовании типа осевая-ненаправленная-коническая ДН с целью сканирования луча при излучении или приеме осуществляют возвратно-поступательные перемещения ПЦС при неподвижном активном излучателе на расстояние (0+3 l ) и обратно.

В остальном способ осуществляют аналогично работе устройства для реализации способа.

На фиг. 1 схематически изображена спиральная антенна для реализации способа.

Спиральная антенна содержит активный излучатель с эллиптической поляризацией излучения, выполненный в виде цилиндрической однозаходной металлической спирали 1, соединенной с центральным проводником питающего фидера (кабеля) 2, и металлического экрана 3, соединенного с экранирующей оболочкой кабеля. Спиральная антенна содержит также пассивную однозаходную металлическую спираль 4 (ПЦС) с противоположным спирали 1 направлением намотки витков, установленную соосно спирали 1 с возможностью перемещения в ближней зоне цилиндрической спирали 1. Радиопрозрачные держатель 5 и штанга 6 обеспечивают соосное расположение и перемещение ПЦС 4 относительно спирали 1 и металлического экрана 3.

Спиральная антенна снабжена также средствами для жесткого закрепления штанги 6 относительно экрана 3 (не показаны). Конец штанги 6 может быть подсоединен к механизму возвратно-поступательного перемещения (не показан). ДН спиральной антенны и ее характеристики могут быть измерены и зарегистрированы с помощью стандартной аппаратуры, состоящей, например, из устройства перемещения (вращения по всем направлениям) испытуемой антенны, генератора, эталонного излучателя, амплифазометра регистрирующей аппаратуры, устройства обработки данных, устройства контроля за процессом измерения (не показаны).

Спиральная антенна работает следующим образом.

Устанавливают пассивную цилиндрическую спираль 4 на заданном (расчетном) расстоянии от точки возбуждения активной ЦС 1, фиксируют положение ПЦС 4. Запитывают активную цилиндрическую спираль 1 (ЦС1) через фидер 2, возбуждая в ней бегущую волну токов заданного порядка. Бегущая волна токов излучает электромагнитную волну того же порядка с эллиптической поляризацией с направлением вращения вектора   определяемым направлением намотки ЦС1, облучают данной волной ПЦС 4, возбуждая в последней бегущую волну тока, заданного порядка, распространяющуюся от ближнего к ЦС1 конца ПЦС 4 к удаленному концу, которая излучает электромагнитную того же порядка волну с эллиптической поляризацией с направлением вращения вектора   определяемым ПЦС 4. Электромагнитные волны от ЦС 1 и от ПЦС 4, складываясь в дальней зоне, формируют диаграмму направленности спиральной антенны.

Результирующее поле от ЦС 1 и ПЦС 4 в дальней зоне имеет вид, определяемый амплитудно-фазовым суммированием полей оттоков в этих спиралях. Направления осевой и ей ортогональной составляющих токов в витках ПЦС 4 зависит от месторасположения ПЦС 4 и ЦС 1, а разность фаз составляющих токов - от расстояния соответствующего витка ПЦС 4 от ЦС 1. При совпадении по фазе, например, осевых составляющих токов в ЦС 1 и ПЦС 4, составляющие электромагнитных волн, складываясь в дальней зоне, будут усиливать суммарную волну в этом (осевом) направлении, а ортогональные им оси составляющие токов, не совпадающие по фазе, складываясь в дальней зоне, будут ослаблять ее. Зарегистрировав ДН антенны, определяют соответствует ли ДН расчетной. При несоответствии расчетной и фактической ДН антенны перемещают ПЦС 4 вдоль оси ЦС 1, при этом изменяется разность фаз между ортогональными оси и осевыми составляющими токов, а значит и волн излучения обеих спиралей, соответственно изменяется и ДН. Процесс подстройки ДН прекращают при достижении требуемой ДН. При известности экспериментальных расстояний для получения требуемой ДН операции измерения ДН опускаются.

Оптимальными для использования в качестве формирователей ДН спиральных антенн сантиметрового, дециметрового и метрового диапазонов являются ПЦС с числом витков 2 5, углом намотки 1 15o. Такие формирователи используют при экспериментальном создании требуемых ДН антенн путем подбора ПЦС. Аналогично вышеописанному работает спиральная антенна с ПЦС 4, имеющей одинаковые направления намотки витков с ЦС 1.

Пример 1 реализации предлагаемого способа.

Создавали антенну с эллиптической поляризацией и с конической (воронкообразной) формой ДН. В качестве активного излучателя использовали однозаходную цилиндрическую спираль с длиной витка 2   углом намотки 2o, числом витков 3. Измеренная ДН данного излучателя имела конический вид с углами места   50o. Устанавливали соосно цилиндрической спирали на расстоянии 0,34 l от ее точки возбуждения (0,13 l от ее конца) пассивную цилиндрическую спираль с параметрами: длина витка 3 l угол намотки 1o, число витков 3, направление намотки противоположно активной ЦС. Возбуждали цилиндрическую спираль, облучали электромагнитной волной возбуждения ПЦС, возбуждая волну типа (порядка) T3, формировали в дальней зоне ДН конического вида с углами места   40o. Переместили ПЦС в точку на расстоянии 0,43 l от точки возбуждения ( 0,22 l от цилиндрической спирали). Получили ДН конического вида с углами места 30o. Широкополостность антенны составила 9o; рабочая длина волны l 7 см.

Пример 2 реализации предлагаемого способа.

Активная цилиндрическая спираль имела параметры: длина витка 1 l угол намотки 2,5o, число витков 5. Пассивная цилиндрическая спираль: направление намотки витков противоположное, длина витка 0,7 l угол намотки 15o, число витков 7. При возбуждении в активной цилиндрической спирали волны порядка T1, она имела диаграмму направленности осевого типа с шириной ДН 60o и коэффициентом усиления 12. После размещения в ближней зоне активной ЦС ПЦС и перемещении ее на расстояние 0,25 l от точки возбуждения (0,02 l от конца активной цилиндрической спирали) ширина требуемой ДН составила 25o, коэффициент усиления 30, широкополостность 1% При этом в ПЦС возбуждалась волна порядка T1; рабочая длина волны возбуждения l 5 дм.

Пример 3 реализации предлагаемого способа.

Параметры активной ЦС: длина витка 1 l угол намотки 6o, число витков 3. Параметры пассивной ЦС: направление намотки витков - противоположное, длина 2 l угол намотки 2o, число витков 3. ПЦС помещали на расстояние 0,79 l от точки возбуждения 0,49 l от активной ЦС. Возбуждали в активной ЦС волну порядка T1, облучали этой электромагнитной волной ПЦС, возбуждая в ней волну порядка T2. Последовательно перемещали ПЦС по направлению к активной ЦС до расстояния 0,49 l от точки возбуждения (0,19 l от конца активной ЦС).

Экспериментально зарегистрированные ДН полученных антенн представлены на фиг.2.

Кривая 1 соответствует расстоянию 0,49 l от активной ЦС (0,79 l от точки возбуждения), кривая 2 0,39 l (0,69 n ), кривая 3 0,29 l (0,59 l ), кривая 4 0,19 l (0,49 l ). Как видно на фиг. 2, по мере приближения к активной ЦС произошло преобразование ДН конического вида (кривая 1,2) в ненаправленный кривая 3 и в осевой вид кривая 4. При обратном перемещении ПЦС от активной ЦС в точку 0,49 l от активной ЦС наблюдались последовательные преобразования ДН из осевого в ненаправленный и снова в конический вид. Кривые 1' -4' совпали при этом с соответствующими кривыми 1 4 и поэтому на фигуре 2 не показаны. Длина волны l 1 м.

На фиг.3 приведена зависимость коэффициента эллиптичности в направлении максимального излучения от расстояния ПЦС до активной ЦС.

На фиг. 4 зависимость коэффициента усиления антенн по примеру 3 от расстояния ПЦС до активной ЦС (при этом КБВ не менее 0,5).

Как следует из примера 3, при придании возвратно-поступательного перемещения по оси спирали наблюдается сканирование луча за счет непрерывного преобразования ДН системы активный излучатель ПЦС из конического вида в ненаправленный и осевой и наоборот. Аналогично можно получить сканирование луча в системе активный излучатель ПЦС согласно примеру 1, однако преобразование вида ДН при этом не происходит, а сканирование осуществляется за счет изменения углов места в ДН конического вида.

Литература: 1. Авт. св. СССР N 1363348, МКИ H 01 Q 11/08, опублик. 30.12.87.

2. Авт.св. СССР N 358746, МКИ H 01 Q 3/00, опублик. 03.11.72.

3. 3-rd International Conf. Antennas and Propag. ICAP-83, horurch. 12-16, Apr. 1983,Pt-1, London, N 4, 1983, p.168-172 прототип.

Формула изобретения

1. Способ создания диаграммы направленности антенны, включающий возбуждение активного спирального излучателя с эллиптической поляризацией излучения и пассивного спирального излучателя, перемещение пассивного спирального излучателя вдоль направления излучения активного спирального излучателя до формирования в дальней зоне требуемой диаграммы направленности, отличающийся тем, что в качестве пассивного спирального излучателя используют цилиндрическую спираль с направлением намотки, противоположным направлению намотки активного спирального излучателя, перемещение пассивного спирального излучателя осуществляют в пределах 3  от точки возбуждения активного спирального излучателя, где l - рабочая длина волны возбуждения антенны.

2. Способ по п. 1, отличающийся  тем, что в качестве активного  спирального излучателя используют  цилиндрическую спираль, причем  длины витков цилиндрических  спиралей активного и пассивного  излучателей выбирают из условия  возбуждения в них волн, различающихся  не более чем на один порядок.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся  тем, что выбирают длины витков  цилиндрических спиралей активного  и пассивного спиральных излучателей  из условия возбуждения в них  волн Т1 и Т2 соответственно, а пассивный спиральный излучатель перемещают возвратно-поступательно.

4. Спиральная антенна с эллиптической поляризацией излучения, содержащая активный и пассивный спиральные излучатели, установленные с возможностью перемещения друг относительно друга вдоль их общей оси, отличающаяся тем, что введен 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 спиральные излучатели установлены над отражающим экраном.

5. Антенна по п. 4, отличающаяся  тем, что длина витков активной  и пассивной цилиндрических спиралей  удовлетворяют соотношению 
La= (0,7+1,05) , 
Ln  1,5 , 
где La, Lп длины витков соответственно активной и пассивной спиралей; 
 - рабочая длина волны возбуждения антенны.

Аннотация

Представлены результаты исследований и разработок спиральных антенн для производства узкой и широкой диаграммы направленности, выполненные для приложений GPS.

Ключевые слова: винтовая коническая антенна, спиральная цилиндрическая антенна, GPS антенна

 

 

1. ВВЕДЕНИЕ

Недавно был вызван спрос на приложения по проектированию простой антенны круговой поляризации для GPS (Global Positioning System). Есть целый ряд антенн, которые излучают и получают волны круговой поляризации. Среди них известны простые спиральные излучатели,  которые находят применение в широкополосных антеннах, отражателях антенных каналов, элементах массива антенн. Однако, несмотря на многие материалы и работы [например, 1-3] посвященные спиральным антеннам существует недостаток подробной информации о выборе геометрических параметров, чтобы получить указанную диаграмму излучения, особенно с очень широким основным лепестком и довольно хорошей круговой поляризацией. Сферическая четырехфилярная спиральная антенна, которая обеспечивает широкую диаграмму излучения (ширина луча на 3 дБ до 1400) была представлена в [4], но конструкция такой антенны значительно усложнена.

 

 

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Данная статья посвящена исследованиям и разработкам спиральных антенн, пригодных для применения GPS, поэтому предоставим следующие электрические характеристики: антенна 1 - 3 дБ ширина луча ≥ 1350, правой круговой поляризации, осевой соотношение составляет не менее 0,7 КСВ <1.5, антенна 2 - 3 дБ ширина луча ≤ 400, остальные параметры такие же, как для антенны 1. Центральный рабочих частот для GPS приложений 1227 и 1575 МГц. Мы численно (с использованием программного обеспечения CSTMS) исследовали ближайшие пять типов антенн (рис. 1) для выбора оптимальных параметров, упомянутых выше:

1. спиральная антенна на сфере

2. коническая спиральная антенна

3. цилиндрическая спиральная антенна

4. плоские спиральные антенны

5. четырехфилярная  цилиндрическая спиральная антенна.

 

 Рис. 1. Модель: а) четырехфилярная цилиндрическая винтовая антенна, б) спиральная антенна на сфере, в) плоская спиральная антенна, г) коническая спиральная антенна, д) цилиндрическая спиральная антенна.

Размеры всех антенн выбраны для удовлетворения вышеупомянутых характеристик GPS на центральной частоте. Удовлетворительное соотношение сигнал шум достигается с помощью экрана с размером диаметра близким к действующей длине волны (в соответствии с данным соотношением сигнал/шум коэффициент излучения около 15 дБ). В антенне типа 1 только длина одного оборота равна рабочей длины волны. Это позволяет получить низкий SLL (уровень боковых лепестков). Бифилярные винтовые и спиральные антенны выбраны для получения необходимых осевых соотношений. Что касается ширины луча, то  она имеет  определенную связь с антенной, поэтому антенны указанные выше сравниваются на полосе пропускания 3 дБ. Способы достижения других параметров, показанных выше.

3 дБ пропускная способность  рассчитана на пять типов антенн  представлены в табл.1.

Аntenna	3-dB beamwidth
спиральная антенна на сфере	84
коническая спиральная антенна	144
цилиндрическая спиральная антенна	38
плоские спиральные антенны	93
четырехфилярная цилиндрическая спиральная антенна.	79 on average (un- symmetrical)