close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY2463

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 2463
(13)
C1
6
(51) H 01Q 11/08
(12)
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
(21) Номер заявки: 155
(22) 23.02.1993
(31) 5041108/09
(32) 06.05.1992
(33) RU
(46) 30.12.1998
ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА
(71) Заявитель: Гомельский
государственный
университет им. Ф.Скорины (BY)
(72) Автор: Самусенко А.И. (BY)
(73) Патентообладатель: Гомельский
государственный университет им. Ф.Скорины (BY)
(57)
1. Цилиндрическая спиральная антенна, содержащая отражающий экран и расположенную над ним токопроводящую однозаходную цилиндрическую спираль, соединенную с питающим фидером, отличающаяся
тем, что диаметр d проводника спирали выбран из соотношения:
1 ⋅ 10 −7 λ ≤ d ≤ 1 ⋅ 10 −4 λ ,
где λ- длина волны.
2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что число витков N, угол намотки α, длина витка L и диаметр d
проводника токопроводящей однозаходной цилиндрической спирали выбраны из соотношений:
3≤N≤8;
13° ≤ α ≤ 14,5°;
0,95λ ≤ L ≤ 1,1λ;
1•10-6 λ ≤ d ≤ 1•10-5 λ
(56)
1. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и излучающих элементов /
Под ред. Д.И. Воскресенского.-М.: Сов. радио, 1972.-С. 241-256.
2. А.с. СССР 1246196, МПК H01Q 11/08,1986.
3. А.с. СССР 1626294, МПК H01Q 3/24, 1992.
4. Денси цусин саккай рэмбунсю, 1980.-Т. J63-beta-№2.-C. 143-150 (прототип).
Фиг. 1
Изобретение относится к антенной технике, а конкретно, к цилиндрическим спиральным многовитковым антеннам с эллиптической и круговой поляризацией излучения и может быть использовано в системах космической связи
метрового, дециметрового и сантиметрового диапазона длин волн, в частности, в отражателях зеркальных радиотелескопов, в фазированных антенных решетках и т.п.
Современный уровень техники в данной области характеризуется широким использованием цилиндрических спиральных антенн осевого излучения.
Классическим техническим решением в данной области является цилиндрическая спиральная антенна
осевого излучения, состоящая из активной спирали, расположенной над металлическим экраном [1]. В такой
антенне преобладает волна тока типа T1, фазовая скорость которой меньше скорости света. В указанной антенне диаметр диска экрана принимают равным (0,9-11), а диаметр провода спирали (0,03-0,05)λ ср., где λ
ср. - средняя длинна волны заданного диапазона. Ширина диаграммы направленности антенны в силу указанных конструктивных особенностей и особенности распространения бегущей волны тока, рассчитанная по
BY 2463 C1
уровню половинной мощности, обычно не превышает 60°, что сужает область качественного приемапередачи сигналов, например, облучателей зеркальных антенн.
Известные цилиндрические спиральные антенны, как правило, рассчитываются с учетом вышеприведенных рекомендаций, что накладывает указанные ограничения.
Так известна спиральная антенна, содержащая однозаходную цилиндрическую спираль, установленную
над металлическим экраном, коаксиальный волновод, внешний проводник которого соединен с экраном, а
внутренний - с началом однозаходной цилиндрической спирали [2]. Имеющаяся в известной антенне опорная диэлектрическая труба с изменяющейся толщиной замедляет и уменьшает интенсивности бегущих волн
тока, препятствуя тем самым увеличению ширины диаграммы направленности. А предполагаемый выбор
традиционных соотношений для расчета конструкции, в частности, диаметра проводника спирали, не обеспечивает возможности существенного увеличения ширины диаграммы направленности.
В известной спиральной антенне, содержащей активную спираль, соединенную с фидером и расположенной над металлическим экраном [3], возможно незначительное изменение, в том числе и увеличение ширины
диаграммы направленности (ДН) антенны за счет нагрева активного диэлектрика и изменения его диэлектрической проницаемости. Однако, использование нагревающей диэлектрик токами низкой частоты спирали
с одной стороны усложняет конструкцию антенны, а с другой приводит к искажению ДН, увеличению уровня боковых лепестков. Возможности расширения ДН при этом незначительны, поскольку выбор конструктивных элементов основан на традиционных подходах, а изменение диэлектрической проницаемости не
может быть осуществлено в широких пределах, причем данный параметр не является определяющим для
конструкции и ее характеристик, в частности, ширины ДН.
Известно, что ширина ДН по уровню половинной мощности при фиксированной длине волны определяется, в основном, длиной витка спирали и шагом цилиндрической спирали. Влияние других конструктивных параметров цилиндрической спирали, в частности, толщины проводника слабо исследовано. Предполагается, что проводник должен
быть достаточно тонким, чтобы не учитывалось влияние его толщины на расчетные соотношения, и в то же время
проводник должен быть жестким и прочным, чтобы не нарушать целостность конструкции, сохранять ее форму и
прочность.
Так в статье К.К.С.Джемвала и других «Анализ конструкции спиральных антенн с оптимизированным
усилением для полосы частот в X-диапазоне» рекомендуется диаметр проводника спирали выбирать равным
0,017λ), где λ - длина волны.
Для многовитковых спиральных цилиндрических антенн дециметрового диапазона минимальный диаметр
проводника в долях длины волны может быть выбран 0,005λ [4]. Цилиндрическая спиральная антенна, в которой
используется проводник указанной толщины, выполнена в виде цилиндрической спирали, подключенной к питающему фидеру и размещенной над отражающим экраном. Минимальный рекомендуемый диаметр проводника
спирали является решающим признаком при выборе указанной цилиндрической спиральной антенны в качестве
прототипа.
Известная цилиндрическая спиральная антенна является многовитковой с числом витков N больше 6
(6≤N≤15), и углом намотки (подъема витка)α, изменяющемся в пределах 12°≤α≤ 15°, при длине витка, близкой к λ, и является антенной осевого излучения.
Проведенный в статье анализ известной антенны свидетельствует о том, что ширина ее ДН не превышает
60°. При этом форма диаграммы направленности существенно отличается от секторного типа, близкого по
виду к диаграмме направленности изотропного излучателя, что в ряде случаев предпочтительней в технике
связи.
Заявляемым техническим решением впервые решена и поставлена задача создания цилиндрической спиральной антенны осевого излучения с круговой и эллиптической поляризацией излучения за счет использования сверхтонких проводников в цилиндрической спирали.
Основной технический результат достигаемый от использования заявляемого решения заключается в увеличении ширины ДН антенны по уровню половинной мощности. Дополнительный технический результат заявляемой антенны заключается в получении ДН секторного вида, т.е. близкой по форме переднего фронта к
диаграмме направленности изотропного излучателя.
Достижение основного технического результата обеспечивается тем, что цилиндрическая спиральная
антенна, содержащая токопроводящую однозаходную цилиндрическую спираль, соединенную с питающим фидером и расположенную над отражающим экраном, имеет максимальный поперечный диаметр проводника d спирали, удовлетворяющий соотношению 1-10 -7⋅λ ≤ d ≤ 1⋅10 -4⋅λ, где λ - длина волны.
Достижение дополнительного технического результата обеспечивается тем, что цилиндрическая спиральная антенна имеет следующие параметры: 3 ≤ N ≤ 8, 13° ≤ α ≤ 14,5°, 0,95⋅λ ≤ L ≤ 1,1⋅λ, l⋅10-6⋅λ ≤ d ≤ l⋅105
⋅λ, ãäå d, N, α, L - соответственно диаметр проводника, число витков, угол намотки, длина витков цилиндрической спирали, а λ - длина волны.
В предлагаемой цилиндрической спиральной антенне реализован режим осевого излучения с эллиптической поляризацией излучения при достижении максимально широкой диаграммы направленности. Впервые
2
BY 2463 C1
теоретически и экспериментально установлено, что использование сверхтонких проводников цилиндрической спирали позволяет существенно увеличить ширину ДН по половинной мощности в диапазоне длин
волн от метрового до сантиметрового включительно. Установлено, что для многовитковых цилиндрических
спиралей с числом витков не менее 3, рассчитанных для длины волны тока типа Т1 использование сверхтонких проводников с диаметром 1⋅10-4 λ и менее приводит к расширению ДН антенны. Причем для диапазона 3
≤ N ≤ 15, 12° ≤ α ≤ 15° ДН сохраняет осевой вид без существенных искажений формы. Для крайних значений
N (N1=3, Nê=15), α(α1=12°, αê=15°) и L=1⋅λ ширина ДН по сравнению с прототипом увеличивается на 25-40%, а
изменение при этом L îò 0,7λ до 1,4λ изменяет ширину ДН на 10-12%.
Приводимая таблица иллюстрирует изменение ширины ДН цилиндрической антенны по уровню половинной мощности 2 θ0,5 для N= 3-8, α= 13°-14,5°, L=(0,95-1,1) λ от диаметра d проводника цилиндрической
спирали, выраженного в долях длины волны, при этом коэффициент эллиптичности излучения не менее 0,5.
Параметры
спирали
N=3, α=13°, L=0,95⋅λ
2θ0,5
52°
63°
81°
120°
137°
130°
81°
d/λ
5⋅10-2
5⋅10-3
1⋅10-3
1⋅10-4
1⋅10-5
1⋅10-6
1⋅10-7
N=6, α=13,5°, L=1⋅λ
N=8, α=14,5°, L=1,1⋅λ
2θ0,5
50°
60°
82°
121°
140°
134°
82°
2θ0,5
49°
55°
83°
120°
138°
132°
80°
d/λ
5⋅10-2
5⋅10-3
1⋅10-3
1⋅10-4
1⋅10-5
1⋅10-6
1⋅10-7
d/λ
5⋅10-2
5⋅10-3
1⋅10-3
1⋅10-4
1⋅10-5
1⋅10-6
1⋅10-7
На фиг. 1 схематически изображена предлагаемая цилиндрическая антенна; на фигуре 2 - диаграмма направленности антенны в сферической системе координат (кривая I) при N=6, α=14°, L=1⋅λ, d =1⋅10-5⋅λ; а на
фигуре 3 - соответственно зависимость коэффициента эллиптичности от угла наблюдения θ (кривая 2} в декартовой системе координат для антенны с указанными на фигуре 2 параметрами.
Следует иметь в виду, что секторная форма диаграммы направленности, изображенная на фигуре 2, сохраняется для параметров N, d, L, α, приведенных в таблице в диапазоне диаметров d=(l⋅10-5 - 1⋅10-6)⋅λ. При
других значениях d происходит искривление фронта ДН и вытягивание его вдоль оси.
Заявляемая цилиндрическая спиральная антенна (фиг.1) содержит однозаходную цилиндрическую спираль I из металлического проводника диаметром d=(l⋅10-4 - 1⋅10-7)⋅λ, соединенную с центральным проводником питающего фидера 2, металлический экран 3, гальванически связанный с обмоткой фидера. Проводник с
целью сохранения жесткости конструкции приклеен к диэлектрическому цилиндрическому каркасу (на фигуре не показан).
Заявляемая антенна работает следующим образом. В запитываемой через фидер 2 цилиндрической спирали возбуждается бегущая волна тока типа T1 спадающей амплитуды. Амплитуда бегущей волны тока до
конца второго витка равномерно уменьшается примерно в 2,5 раза, а области от конца второго витка до 0,5 λ
от конца спирали уменьшается примерно в 3 раза. На расстоянии 0,5 λ от конца спирали возникает стоячая
волна, амплитуда которой не превосходит амплитуду тока на конце второго витка. При этом вдоль всего
проводника цилиндрической спирали от точки возбуждения до 0,5 λ от свободного конца волна тока распространяется с фазовой скоростью почти равной скорости света. Бегущая волна тока и стоячая волна тока излучают электромагнитные волны, которые, складываясь в дальней зоне, формируют диаграмму
направленности антенны. Благодаря спадающему характеру и распространению бегущей волны тока со скоростью света, происходит формирование более широкой ДН, с частности ДН секторного вида. Согласно известным условиям Хансена-Вудьярда для формирования остронаправленного излучения необходимо, чтобы в
антенне бегущей волны существовала
3
BY 2463 C1
замедленная волна, т.е. присутствовал набег фаз. А в заявляемом случае это условие не выполняется, поскольку в ЦС вдоль сверхтонкого проводника распространяется волна с фазовой скоростью почти равной
скорости света. Это и приводит при определенном соотношении параметров антенны к формированию ДН в
виде сектора с почти равномерным излучением.
Экспериментально заявляемая цилиндрическая спиральная антенна проверена для λср.= 1,5 м. Величина металлического экрана при этом составляла 1,1λср. Широкополостность полученной антенны 10%.
Фиг. 2
Фиг. 3
Cоставитель С.В. Лазарчук
Редактор В.Н. Позняк
Корректор Т.Н. Никитина
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
170 Кб
Теги
by2463, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа