Спіральна антена

Спіральна антена, що містить коаксіальний фідер, металевий екран, радіопрозорий корпус з розташованими всередині просторовою однозахідною спіраллю з регульованою довжиною, мікроСпіральна антена відноситься до галузі радіотехніки, а саме до антенної техніки надвисоких частот (НВЧ) і стосується надширокосмугових однозаходних дротових регульованих просторових конічних спіральних структур. Відома просторова конічна спіральна антена (Patent GB №2256750, lun 1991 H01Q 1/12, 1/32. GEC - MARKONI LIMITED /INCORPORATED IN The united KINGDOM/), що містить коаксіальний фідер, конічний діелектричний корпус, в якому розміщується конічна просторова однозаходна спіраль, що має нерухомі характеристики та параметри поля НВЧ-випромінювання. Сигнал від передавача, крізь коаксіальний фідер, подається на перший найбільший виток просторової конічної спіралі, поле випромінювання якої' формується з максимумом по осі симетрії спіралі. Смуга робочих частот залежить від геометричних параметрів першого найбільшого та останнього найменшого витка спіралі. Коефіцієнт перекриття смуги робочих частот відповідає рівнянню' де а 2 - найбільший радіус першого навитого витка конічної спіралі [м]; а 1 - найменший радіус навитого витка конічної верхівки спіралі [м]. Недоліками цієї конічної спіральної антени є те, що поле випромінювання в дальній зоні стаціонарне, тобто нерегульоване Не регулюється і смуга робочих частот, чим знижуються технічні можливості застосування цієї антени в сучасних мобільних радіотехнічних системах. Ознаками, спільними з рішенням, що заявляються, є наявність коаксіального фідера, радіопрозорого конічного корпусу, конічної просторової однозаходної спіралі. ґвинтом та підстроювальним елементом, до якого жорстко закріплений останній виток спіралі, яка відрізняється тим, що додатково містить автоматичний електромеханічний привід регулювання, діелектричну нерухому основу, радіопрозорий підшипник ковзання, а також спіраль з 15-20 витками, корпус спрямування і герметизації та екран, які виконані конічними, а мікроґвинт і підстроювальний елемент - радюпрозорими. Прототипом вибрана відома регульована просторова циліндрична спіральна антена (Patent US 5146235, H01Q 1/36, Dec. 18 1989, Stefan Freise. HELIKAL UNF TRANSMITTING AND/OR RECEIVSNC ANTENNA), яка містить: коаксіальний фідер, плоский металевий екран-диск, радіопрозорий корпус із розташованою в середині регульованою просторовою циліндричною однозаходною спіраллю, що має 1-5 витків. Перший виток спіралі закріплений жорстко до корпусу, а останній - до підстроювального диска, який переміщується по мікрогвинту, що розтягує або стискує спіраль до визначеної довжини, чим здійснює підстроювання тільки однієї діаграми спрямованості, що випромінює антена в дальній зоні Недоліками прототипу є: недостатня кількість витків (від 1 до 5) та незначне змінювання довжини спіралі (до 1/3 від її початкової довжини), що не дозволяє використовувати таку антену для формування широкого кола окремих типових діаграм спрямованості. Це значно знижує можливість використання її в сучасних широкосмугових радіотехнічних системах. Спільними З прототипом ознаками є наявність, коаксіального фідера, радіопрозорого корпуса з розташованою в середині регульованою просторовою однозаходною спіраллю, металевого екрана, мікрогвинта та підстроювального елемента, до якого жорстко закріплений останній виток спіралі. В основу корисної моделі поставлено задачу розробити спіральну антену, яка шляхом використання тільки однієї однозаходної просторової спіралі з регульованими параметрами, дозволяє формувати в дальній зоні широке коло діаграм спрямованості від класичних радюпеленгаційних до будь-яких проміжних та отримати збільшення коефіцієнта перекриття робочої смуги частот. со ю О) 5167 Суттєвими ознаками спіральної антени, що заявляється, є наявність: - коаксіального фідера; - конічного металевого екрана; - діелектричної нерухомої основи; - радіопрозорого корпусу спрямування і герметизації; - просторової однозаходної конічної спіралі з 15-20 витками, яка може регулюватися за довжиною; - радіопрозорого мікрогвинта; - радіопрозорого підшипника ковзання; - радіопрозорого підстроювального елемента, до якого жорстко закріплений останній виток спіралі; Відмінними від прототипу ознаками є: додаткове введення автоматичного електромеханічного приводу регулювання, діелектричної нерухомої основи, радіопрозорого підшипника ковзання; виконання конічними - спіралі з 15-20 витками, корпусу спрямування і герметизації, екрану, радіопрозорими - мікрогвинта та підстроювального елемента. Спіральна антена (Фіг.1) складається з коаксіального фідера 1, конічного металевого екрану 2, діелектричної нерухомої основи 3, просторової однозаходної конічної спіралі 4, яка розміщується в середині конічного радіопрозорого корпусу спрямування та герметизації 5, радіопрозорих мікрогвинта 6, підстроювального елемента 7, підшипника ковзання 8 та автоматичного електромеханічного приводу регулювання 9. До металевого конічного екрану 2 приєднані: з одного боку - коаксіальний фідер 1, діелектрична нерухома основа 3 разом з закріпленим до неї першим найбільшим витком спіралі 4, радіопрозорий конічний корпус спрямування та герметизації 5, в середині якого розташовані однозаходна просторова конічна спіраль 4, радіопрозорий мікрогвинт 6, по якому пересувається радіопрозорий підстроювальний елемент 7 разом з закріпленим на ньому останнім найменшим витком конічної спіралі 4 та радіопрозорий підшипник ковзання 8, в якому обертається мікрогвинт 6; з другого боку автоматичний електромеханічний привод регулювання 9. Антенний пристрій працює таким чином: енергія надвисоких частот від передавача (на Фіг.1 не показано) по коаксіальному фідеру 1, що проходить крізь екран 2, подається на спіраль 4 і, крізь конічний радіопрозорий корпус 5, випромінює у вільний простір. Формування зовнішнього поля випромінювання відбувається залежно від примусового змінювання довжини спіралі L z , довжина якої дорівнює: L Z I =NS,,(2) де N - кількість витків спіралі; S, - крок поміж витками спіралі в [м], що відповідає довжині спіралі, LZI [м]. Для формування наперед заданої форми діаграми спрямованості (ДС) змінюють довжину за допомогою автоматичного електромеханічного приводу регулювання 9, шляхом обертання радіопрозорого мікрогвинта 6, по різьбі якого пересува 4 ється радіопрозорий підстроювальний елемент 7 разом з закріпленим на ньому останнім (найменшим) витком конічної спіралі 4. Таким чином спіраль 4 може змінювати свою довжину L z по осі симетрії: - від стиснутої в площину спіралі Архімеда з мінімальною довжиною, І_Г =2г о ,(3) І П де І_™ - мінімальна довжина плоскої спіралі, М; г0 - радіус дроту, з якого навита спіраль, [м]; - до просторової конічної спіралі з максимальною довжиною і max _ мо (А\ Де S m a x - максимальний крок розтягнутої спіралі, що установлюється автоматично з установкою довжини, L™ax [м\. При зміни довжини спіралі від І_™ІП = 2г0 до пропорційно змінюються крок спіралі l_max max S,, кут підйому навитого витка а,, кут навитої конічної спіралі 9, та довжина спіралі L,, що дозволяє (за допомогою тільки однієї конічної спіралі) формувати в дальній зоні будь-яку діаграму спрямованості та розширити смугу робочих частот. Відстань до дальньої зони розраховують відповідно рівнянню: де Z f l 3 - відстань від розкриву спіралі з найменшим витком до початку дальньої зони, [м], а 1 - найменший радіус витка конічної спіралі, [м]; Хсп - довжина хвилі в проводі спіралі [м]. Характеристики випромінювання: діаграма спрямованості (форма поля випромінювання) в дальній зоні; максимуми та мінімуми амплітуди поля, F n (6); ширина діаграми спрямованості на рівні 0,5 потужності, 290>5C-z) можна розрахувати за відомою формулою (6) [Драбкин А.Л. Антеннофидерные устройства. - М.: "Сов. Радио", 1974. С.321] І9 Nsinj — [^(Ij-y-Sco де Fn(0) - функція розподілу поля випромінювання в дальній зоні, [А/м]; G - кут спостереження точки М(0, Ro, ф) у сферичних координатах, [град]; Ro - відстань до точки М початку сферичної системи координат, [м]; Ф - кутова координата проекції точки М на горизонтальну площину, [град]; N - кількість витків конічної спіралі; Хо - довжина хвилі у вільному просторі, [м]; 5167 £ = —— - коефіцієнт скорочення хвилі; А,сп - довжина хвилі в проводі спіралі [м]; І 2 , h - довжина розтягнутого в лінію першого найбільшого та останнього найменшого витка конічної спіралі, відповідно, [м]; 2a 2 tg3, . . . е S= ^ 4 L - крок спіралі [м], відносно її вщповідної довжини, LZ1 [м]; 9, - кут конуса навитої спіралі [град], що змінюється залежно від довжини спіралі L Z | , [м]. На Фіг.1 показана схема запропонованої просторової однозаходної конічної спіральної антени з регульованою довжиною спіралі Ц по осі симетрії Z . Розтягнута конічна спіраль (Фіг.1) має такі параметри: найбільший радіус витка, а 2 =0,08м; найменший радіус витка, а-, =0,01 м; кількість витків, N =10; максимальна довжина спіралі, l_max =0,21 м; кут конуса навитої спіралі, 9 m m =18°; радіус дрота, з якого навита спіраль г0 =0,0015м. На Фіг.2, в полярних координатах, показана теоретична діаграма спрямованості (крива 1), що має форму "тора". Таку ДС на практиці використовують як пошукову щодо встановлення факту існування в ефірі відповідного випромінювання. Крива 2 - експериментальна. Розбіжність між ними не перевищує 10%. ДС отримана для конічній спіралі 3 фіксованими параметрами, а саме: а-, =0,01 м; а 2 =0,08м; 0=67,5°; N=10; Хсп =0,02м; L z =0,03м. На Фіг.З, в полярних координатах, показана теоретична діаграма спрямованості (крива 1) з максимумом випромінювання по осі симетрії спіралі. Таку ДС на практиці використовують як класичну радіопеленгаційну щодо визначення пеленгу на випромінювач за методом "максимум" сигналу. Крива 2 - експериментальна. Розбіжність результатів експериментів не перевищує 10%. ДС отримана на тій же конічній спіралі з фіксованими параметрами, а саме: а-, =0,01 м; а 2 =0,08м; 3=50°; N=10; Х сп =0,02м; L z =0,06м. На Фіг.4, в полярних координатах, показана теоретична діаграма спрямованості (крива 1) з мінімумом прийому сигналів по осі симетрії спіра 6 лі. Таку ДС на практиці використовують як класичну радіопеленгаційну щодо точного визначення пеленгу на випромінювач по методу "мінімум" сигналу. ДС приймає лійкоподібну форму з мінімумом амплітуди по осі симетрії спіралі. Крива 2 - експериментальна. Розбіжність результатів експериментів також не перевищує 10%. ДС отримана на тій же конічної спіралі з фіксованими характеристиками та параметрами, а саме: а-, =0,01 м; а 2 =0,08м; 9=42°; N=10; Хсп =0,02м; L z =0,08м. Коефіцієнт перекриття за діапазоном спіральної антени можна розраховувати відповідно з рівнянням (7) [Юрцев О.А. и др. Спиральные антенны. - М.: "Сов. Радио", 1974. С. 167] К _ _ 'max п - -: Т Де f m a x - максимальна частота робочого діапазону, [МГц]; f m i n - мінімальна частота робочого діапазону, [МГц]. Запропонована однозахідна просторова конічна спіральна антена працює в такій смузі робочих коливань, а саме: максимальна частота f m a x 600МГц. Відповідно рівнянню (7) спіральна антена, що заявляється, має коефіцієнт перекриття робочого діапазону частот К п =8,3. Використання запропонованої спіральної антени дозволяє формувати будь-яке поле випромінювання в дальній зоні, в тому числі і трьох відомих класичних радіопеленгаційних ДС (Фіг.2-4), а також розширити смугу робочих частот. Спіральна антена, що заявляється, має такі габаритні та вагові характеристики: діаметр екрана De=0,158±0,02M, довжина антени разом з автоматичним електромеханічним приводом регулювання L =0,255±0,025м, і вага=1,65±0,01кг. Мобільність, незначні габарити, спроможність формувати на одній спіралі будь-яку ДС в найширшій смузі робочих коливань, роблять антену більш ефективнішою порівняно з існуючими, тому її можна використати в сучасних радіотехнічних системах для вирішення завдань радіозв'язку, радіонавігації, радіопеленгації, радіокеруванні, радіовимірюванні тощо. 5167 220 210 140 200 150 190 180 170160 Фіг 2 20 30 40 50 60 21 150 200 190 180 170 f6 ° Фіг 4 Комп'ютерна верстка А Крулевский Підписне Тираж 37 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул Урицького, 45, м Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Глазунова, 1, м Київ - 42, 01601