RU2060575C1

RU2060575C1 - Helix antenna

Info

Publication number: RU2060575C1
Application number: RU93055232A
Authority: RU
Inventors: Георгий Андреевич Енютин; Игорь Никифорович Матвеев; Николай Аркадьевич Павлов; Александр Михайлович Соловьев; Владимир Григорьевич Тимошин
Original assignee: Георгий Андреевич Енютин; Игорь Никифорович Матвеев; Николай Аркадьевич Павлов; Александр Михайлович Соловьев; Владимир Григорьевич Тимошин
Priority date: 1993-12-13
Filing date: 1993-12-13
Publication date: 1996-05-20

Abstract

FIELD: antennas for space navigation systems. SUBSTANCE: radiator made as turn of single-pass wire cylindrical helix 7 has load terminating in matching stub. Load is flat wire turn 8 and matching stub is flat wire half-turn. Relations of radii and arrangement of adjusting device are given in description of the invention. EFFECT: improved design. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано, например, в системах космической навигации ГЛОНАСС и НАВСТАР. The invention relates to antenna technology and can be used, for example, in space navigation systems GLONASS and NAVSTAR.

Известна спиральная антенна, которая содержит излучатель в виде плоской двузаходной спирали, установленной в плоскости раскрыва резонатора и подключенной к питающему фидеру через согласующий элемент, выполненный в виде начального участка плоской двузаходной спирали [1]
В рабочем диапазоне частот антенна обеспечивает стабильность формы диаграммы направленности (ДН), величины коэффициента эллиптичности (К_э), а также уменьшение смещения от нормали главного лепестка ДН.Known spiral antenna, which contains the emitter in the form of a flat two-way spiral mounted in the plane of the aperture of the resonator and connected to the supply feeder through a matching element made in the form of the initial section of a flat two-way spiral [1]
In the operating frequency range, the antenna ensures the stability of the shape of the radiation pattern (ND), the magnitude of the ellipticity coefficient (K _e ), as well as reducing the offset from the normal of the main lobe of the NAM.

Недостатками этой антенны являются относительно узкий рабочий диапазон частот, недостаточно высокая стабильность поляризационных характеристик антенны в рабочем секторе углов. The disadvantages of this antenna are the relatively narrow operating frequency range, the insufficiently high stability of the polarization characteristics of the antenna in the working sector of the angles.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является спиральная антенна, которая имеет однозаходную проволочную цилиндрическую спираль, размещенную на поверхности опорной ди-электрической трубы с изменяющимся по высоте диэлектрическим наполнением, экран, коаксиальный кабель, внешний проводник которого соединен с экраном [2]
Спиральная антенна имеет расширенный частотный диапазон и улучшенные поляризационные характеристики.The closest in technical essence and the achieved effect is a spiral antenna, which has a single-entry cylindrical wire spiral located on the surface of the supporting dielectric pipe with a dielectric filling varying in height, a screen, a coaxial cable, the external conductor of which is connected to the screen [2]
The spiral antenna has an extended frequency range and improved polarization characteristics.

Однако несмотря на то, что излучение резонансного участка спирали происходит в режиме волны Т₁, предыдущая часть спирали, где диэлектрическое наполнение более плотно, играет роль канализирующей линии с принципиально присущими ей и конструкции антенны никак не подавляемыми волнами Т₂ и Т_-2, что обуславливает азимутальную неравномерность К_э. Кроме того, расширение рабочего диапазона этой спиральной антенны достигается за счет увеличения ее высоты, т. е. для своих габаритов она оказывается относительно слабонаправленной, поскольку ширина ее ДН определяется в основном, размерами отдельного резонансного витка, а не всей спирали. К тому же использование в антенне диэлектрической опорной трубы не позволяет использовать ее на борту космических объектов.However, despite the fact that the radiation of the resonant portion of the helix occurs in the T ₁ wave mode, the previous part of the helix, where the dielectric filling is denser, plays the role of a channeling line with fundamentally inherent to it and antenna design waves T ₂ and T _-2 not suppressed in any way, which causes azimuthal irregularity K _e . In addition, the expansion of the working range of this spiral antenna is achieved by increasing its height, i.e., for its dimensions, it turns out to be relatively slightly directed, since the width of its beam is determined mainly by the size of a single resonant coil, and not the entire spiral. In addition, the use of a dielectric support pipe in the antenna does not allow its use on board space objects.

Целью изобретения является улучшение поляризационных характеристик антенны, расширение частотного диапазона и упрощение конструкции. The aim of the invention is to improve the polarization characteristics of the antenna, expanding the frequency range and simplifying the design.

Это достигается тем, что в антенне, содержащей однозаходную цилиндрическую проволочную спираль, размещенную над экраном и запитываемую через коаксиальный кабель, внешний проводник которого соединен с экраном, однозаходная цилиндрическая проволочная спираль имеет только один виток, оканчивающийся лежащей в плоскости, параллельной плоскости экрана и удаленной от нее на расстоянии λ/4, согласованной нагрузкой в виде плоского незамкнутого проволочного витка того же радиуса, переходящего в согласующий шлейф, выполненный в виде также незамкнутого плоского проволочного полувитка меньшего радиуса, в котором за счет изменения направления навивки осуществляется противоположное по отношению к нагрузочному витку направление распространения тока. This is achieved by the fact that in an antenna containing a single-entry cylindrical wire spiral located above the screen and fed through a coaxial cable, the external conductor of which is connected to the screen, the single-entry cylindrical wire spiral has only one turn ending in a plane parallel to the plane of the screen and remote from at a distance of λ / 4, matched by the load in the form of a flat open wire coil of the same radius, turning into a matching loop, made in the form also a bent flat wire half-coil of a smaller radius, in which, due to a change in the direction of winding, the direction of current propagation, which is opposite with respect to the load coil, is realized.

Для улучшения согласования фидерного тракта с входом однозаходной цилиндрической проволочной спиральной антенны внутренний проводник коаксиального кабеля соединен с началом витка цилиндрической спирали через настроечное устройство, которое может быть выполнено, например, в виде отрезка проволоки, расположенного параллельно плоскости экрана, и металлической пластины, электрически связанной с плоскостью экрана и размещенной перпендикулярно этой плоскости, но параллельно отрезку проволоки. Настройка по входу антенны в данном случае осуществляется регулировкой реактивной связи между отрезком проволоки и металлической пластины путем подбора необходимого зазора между двумя элементами настроечного устройства. To improve the matching of the feeder path with the input of a single-pass cylindrical spiral wire antenna, the inner conductor of the coaxial cable is connected to the beginning of the coil of the spiral coil through a tuning device, which can be performed, for example, in the form of a piece of wire parallel to the plane of the screen and a metal plate electrically connected to the plane of the screen and placed perpendicular to this plane, but parallel to the length of wire. The tuning at the antenna input in this case is carried out by adjusting the reactive coupling between the length of wire and the metal plate by selecting the necessary gap between the two elements of the tuning device.

Общими существенными признаками антенн являются однозаходная цилиндрическая проволочная спираль, размещенная над плоским экраном коаксиальный кабель, внешний проводник которого соединен с экраном. Common essential features of antennas are a single-entry cylindrical wire spiral, a coaxial cable placed above a flat screen, the external conductor of which is connected to the screen.

Отличительные признаки обеспечивают достижение поставленной цели однозаходная цилиндрическая проволочная спираль имеет только один виток, оканчивающийся лежащей в плоскости, параллельной плоскости экрана и удаленной от нее на расстояние λ/4, согласованной нагрузкой в виде плоского незамкнутого проволочного витка того же радиуса, переходящего в согласующий шлейф, выполненный в виде также незамкнутого плоского проволочного полувитка меньшего радиуса, в котором за счет изменения направления навивки осуществляется противоположно по отношению к нагрузочному витку направление распространения тока. Вход однозаходной цилиндрической проволочной спирали соединен с внутренним проводником коаксиального кабеля через настроечное устройство, которое может быть выполнено, например, в виде расположенного параллельно плоскости экрана отрезка проволоки и регулировочной металлической пластины, электрически связанной с плоскостью экрана, размещенной перпендикулярно этой плоскости, но параллельно отрезку проволоки, с помощью которой за счет регулировки зазора между ней и отрезком проволоки осуществляется согласование фидерного тракта с входом антенны. Distinctive features ensure that the goal is achieved. A single-starting cylindrical wire spiral has only one turn ending in lying in a plane parallel to the screen plane and at a distance λ / 4, coordinated by the load in the form of a flat open wire coil of the same radius, turning into a matching loop, made in the form of also an unclosed flat wire half-turn of a smaller radius, in which, by changing the direction of winding, it is carried out oppositely wear to the load coil current direction of propagation. The input of a single-shot cylindrical wire spiral is connected to the inner conductor of the coaxial cable through a tuning device, which can be made, for example, in the form of a piece of wire parallel to the screen plane and an adjusting metal plate electrically connected to the screen plane placed perpendicular to this plane, but parallel to the wire segment by which, by adjusting the gap between it and the wire length, the feeder path is matched with the course of the antenna.

Диаметр витка D цилиндрической спирали выбирается из обычного для спиральных антенн условия равенства длины витка длине волны. С учетом того, что высота витка составляет ≈λ/4, его диаметр оказывается равным
D

λ ≈ 0,31 λ. Это соответствует углу подъема спирали ≈14^о, что близко к оптимальному значению для угла подъема длинной цилиндрической спирали, работающей в режиме волны Т₁.The diameter of the coil D of the cylindrical spiral is selected from the usual condition for spiral antennas that the coil length is equal to the wavelength. Given that the height of the turn is ≈λ / 4, its diameter is equal to
D

λ ≈ 0.31 λ. This corresponds to the lead angle ^{of the} spiral ≈14 that is close to the optimal value for the angle of ascent long cylindrical helix operating in mode _1, the T-wave.

Изобретение поясняется чертежом. The invention is illustrated in the drawing.

Спиральная антенна содержит экран 1, первую диэлектрическую пластину 2, вторую диэлектрическую пластину 3, СВЧ-разъем 4, отрезок проволоки 5 на входе элемент настроечного устройства, металлическую пластину 6 элемент настроечного устройства, однозаходную цилиндрическую проволочную спираль 7, плоский виток проволоки 8, согласующий шлейф 9. The spiral antenna contains a shield 1, a first dielectric plate 2, a second dielectric plate 3, a microwave connector 4, a piece of wire 5 at the input of a tuning device element, a metal plate 6 a tuning device element, a single-starting cylindrical wire spiral 7, a flat coil of wire 8, a matching cable nine.

Спиральная антенна работает следующим образом. Spiral antenna works as follows.

Распространяющаяся по коаксиальному кабелю ТЕМ-волна через согласующее устройство (5, 6) поступает на вход однозаходной цилиндрической проволочной спирали 7 и возбуждает в ней поверхностную волну Т₁, обеспечивающую прямое осевое излучение спиральной антенны с К_э 1.A TEM wave propagating through a coaxial cable through a matching device (5, 6) enters the input of a single-input cylindrical wire spiral 7 and excites a surface wave T ₁ in it, providing direct axial radiation from a helical antenna with K _e 1.

Согласующее устройство выполнено в виде отрезка проволоки 5, расположенного параллельно плоскости экрана 1 между внутренним проводником СВЧ-разъема 4 и входом однозаходной цилиндрической проволочной спиральной антенны 7, рядом с которым размещена настроечная СВЧ-емкость в виде металлической пластины 6, расположенной параллельно отрезку проволоки 5 и перпендикулярно плоскости экрана 1, с которым она связана электрически. The matching device is made in the form of a piece of wire 5 located parallel to the plane of the shield 1 between the inner conductor of the microwave connector 4 and the input of a single-helical cylindrical spiral wire antenna 7, next to which there is a tuning microwave capacitance in the form of a metal plate 6, parallel to the length of wire 5 and perpendicular to the plane of the screen 1, with which it is electrically connected.

В одновитковой (т.е. электрически короткой) однозаходной цилиндрической спирали, кроме полезной волны Т₁, неизбежно возбуждаются и другие типы нормальных волн: волна обратного осевого излучения Т_-1, прямые в обратные гармоники высших типов Т_n и Т_-n, что приводит к нарушению в спирали режима бегущей волны тока, увеличивает отражение поля и тока от свободного конца спиральной антенны, ухудшает равномерноть антенных характеристик в различных азимутальных и угломестных направлениях.In a single-turn (i.e., electrically short) one-way cylindrical spiral, in addition to the useful wave T ₁ , other types of normal waves are inevitably excited: a wave of reverse axial radiation T _-1 , direct to the inverse harmonics of higher types T _n and T _-n , which leads to a violation in the spiral of the traveling wave of the current, increases the reflection of the field and current from the free end of the spiral antenna, worsens the uniformity of the antenna characteristics in different azimuth and elevation directions.

Для подавления нежелательных гармоник в антенне и создания вдоль единственного витка цилиндрической спирали поверхностной волны с фазовой скоростью, близкой к скорости света, а в самой спирали режима бегущей волны тока, верхний конец одновитковой однозаходной цилиндрической спирали нагружен на незамкнутый плоский проволочный виток 8, плавно переходящий в согласующий шлейф 9. Расположенные на высоте λ/4 над плоскостью экрана 1 плоский незамкнутый проволочный виток 8, радиус которого совпадает с радиусом цилиндрической спирали 7, и согласующий нагрузочный шлейф 9 в виде лежащего в плоскости плоского витка 8 проволочного полувитка меньшего радиуса с противоположным по отношению к плоскому витку 8 направлением распространения тока вместе с экраном 1 образуют открытый резонатор для волны Т₁, обеспечивая при этом и хорошее согласование выхода спиральной антенны с нагрузкой.To suppress unwanted harmonics in the antenna and create a surface wave along a single coil of a cylindrical spiral with a phase speed close to the speed of light, and in the spiral of the traveling current wave mode, the upper end of a single-turn single-pass cylindrical spiral is loaded onto an open flat wire coil 8, smoothly turning into matching loop 9. Located at a height of λ / 4 above the plane of the screen 1 is a flat open wire coil 8, the radius of which coincides with the radius of the cylindrical spiral 7, and yuschy load stub 9 in the form of lying in the plane of the flat coil 8 wire half turns of smaller radius with the opposite with respect to the flat coil 8, the direction of current propagation along with the screen 1 constitute an open resonator for wavelength T _1, while providing and good output matching helical antenna load .

Настройка резонатора осуществляется экспериментальным подбором геометрических параметров согласующего шлейфа 9, при которых поле в направлении оси спиральной антенны 7 оказывается практически круговым (величина К_э близка к единице), а коэффициент усиления максимальным.The resonator is tuned by experimental selection of the geometric parameters of the matching loop 9, in which the field in the direction of the axis of the spiral antenna 7 is almost circular (the value of K _e is close to unity), and the gain is maximum.

Спиральная антенна обеспечивает улучшение поляризационных характеристик и расширение частотного диапазона при упрощении конструкции. Spiral antenna provides improved polarization characteristics and the expansion of the frequency range while simplifying the design.

Claims

1. A spiral antenna comprising a radiator made in the form of a single-entry cylindrical wire spiral placed above a flat screen, and a coaxial cable, the external conductor of which is connected to a flat screen, characterized in that the radiator is provided with a load ending with a matching loop, while the radiator is made in in the form of one turn of a single-starting cylindrical wire spiral, the load is in the form of one flat wire coil remote from the flat screen at a distance of λ / 4, and the matching loop in the form e of a flat wire half-coil, and the radii of the coil of the emitter and the load are equal to and greater than the radius of the half-coil of the matching loop, which is wound in the opposite direction and placed in the plane of the load coil, in addition, the radiator is connected to the inner conductor of the coaxial cable through a tuning device, where λ is the wavelength .

2. The antenna according to claim 1, characterized in that the tuning device is made in the form of a piece of wire located parallel to the flat screen between the inner conductor of the coaxial cable and the input of the emitter, and a metal plate electrically connected to the flat screen and mounted perpendicular to it and parallel to the cut wire with the ability to change the gap between it and a piece of wire.