RU2687895C1

RU2687895C1 - Ultra-wideband spiral antenna

Info

Publication number: RU2687895C1
Application number: RU2018110934A
Authority: RU
Inventors: Данил Данилович Кохнюк; Игорь Александрович Боровик; Ярослав Викторович Федоров; Сергей Владимирович Захаров; Андрей Владимирович Иванов; Валерий Иванович Чеботарёв; Сергей Данилович Сиберт
Original assignee: Акционерное общество "Центральное конструкторское бюро автоматики"
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2019-05-16

Abstract

FIELD: antenna equipment.SUBSTANCE: invention relates to antenna engineering, namely to spiral antennas operating in a continuous range of ultrahigh (UHF) and super-high (SHF) frequencies in antenna systems for various purposes, particularly in direction finding and tracking systems. Antenna comprises a combined two-start spiral consisting of connected flat and hemispherical spirals, dielectric housing accommodating matching balancing transformer and metal reflectors of flat and hemispherical spirals with rings installed on them from absorbing materials. On the reverse side of the reflector of the flat spiral there is a reverse ring of absorbing material, which is turned by the working surface to the reflector of the hemispherical spiral. According to the proposed technical solution inside the dielectric housing between the absorbing ring on the hemispherical spiral reflector and the reverse absorbing ring on the reverse side of the reflector of the flat spiral there is a ring of dielectric material. Ultra-wideband spiral antenna operates in continuous UHF and SHF with overlapping of 20:1. Oscillations of VSWR and CS are substantially smoothened, and the level of rear radiation is reduced approximately by half.EFFECT: this allows expanding working range of a direction finder to the area of lower frequencies.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике, а именно к спиральным антеннам, работающим в непрерывном диапазоне ультравысоких (УВЧ) и сверхвысоких (СВЧ) частот в составе антенных систем различного назначения, в частности в системах пеленгации и сопровождения.The invention relates to antenna technology, namely to spiral antennas operating in a continuous range of ultra-high (UHF) and ultra-high (UHF) frequencies as part of antenna systems for various purposes, in particular in direction finding and tracking systems.

При проектировании современных радиотехнических систем к антеннам обычно предъявляют требования максимальной широкополосности (перекрытие рабочего диапазона частот 20:1 и более) и минимальности габаритных размеров. Известны конструктивные решения, позволяющие обеспечить в той или иной мере выполнение указанных требований. Так в спиральных антеннах с этой целью используют различные оконечные нагрузки концов спиралей (M.W. Nurnberger and J.L. Volakis. New Termination for Ultrawide-Band Slot Spirals. Antennas Propagat. vol. 50, №0.1. Jan. 2002) или, например, наружный виток плоской двухзаходной спирали выполняют в виде линии задержки путем придания ему зигзагообразной формы (патент РФ 2565524).When designing modern radio engineering systems, antennas usually impose requirements on maximum bandwidth (overlapping of the operating frequency range of 20: 1 or more) and minimal dimensions. Known design solutions to ensure in one way or another the implementation of these requirements. So in the spiral antennas for this purpose use different end loads of the ends of the spirals (MW Nurnberger and JL Volakis. New Termination for Ultrawide-Band Slot Spirals. Antennas Propagat. Vol. 50, No. 0.1. Jan. 2002) or, for example, an outer coil flat dvuhaktnoy helix perform in the form of a delay line by giving it a zigzag shape (RF patent 2565524).

Известна спиральная антенна (патент РФ 2620766), содержащая полусферическую и плоскую спирали, поглотитель, основание, симметрирующее устройство и корректор в виде диэлектрического кольца, соосного с полусферической спиралью и расположенного снаружи в нижней части ее витков, при этом на внешней поверхности кольца закреплены дополнительные витки спирали, верхние концы которых контактно соединены с нижними концами полусферической спирали. Установка дополнительного диэлектрического кольца с витками спирали улучшает радиотехнические характеристики (РТХ) антенны в области нижних частот, расширяя ее рабочий диапазон, однако при этом увеличивается диаметр антенны, что может быть отмечено как ее недостаток - не решается вопрос малогабаритности.Known spiral antenna (RF patent 2620766), containing a hemispherical and flat helix, absorber, base, balancing device and a corrector in the form of a dielectric ring, coaxially with a hemispherical spiral and located outside the lower part of its turns, with additional turns attached to the outer surface of the ring spirals, the upper ends of which are in contact with the lower ends of the hemispherical spiral. Installing an additional dielectric ring with spiral turns improves the radio engineering characteristics (PTX) of the antenna in the low-frequency region, expanding its operating range, however, the antenna diameter increases, which can be noted as its drawback - the issue of small size is not solved.

Из известных технических решений наиболее близким по конструкции и технической сущности к заявляемой спиральной антенне является выбранная в качестве прототипа сверхширокополосная спиральная антенна (патент РФ 2422954). Антенна выполнена в виде комбинированной двухзаходной спирали, состоящей из соединенных плоской и полусферической спиралей. Внутри диэлектрического корпуса, на котором закреплена полусферическая спираль, на металлических рефлекторах плоской и полусферической спиралей установлены кольца из поглощающих материалов, верхнее и нижнее, при этом диаметр нижнего кольца равен диаметру диэлектрического корпуса. Кроме того, на обратной стороне рефлектора плоской спирали размещено обратное кольцо из поглощающего материала, обращенное своей рабочей поверхностью к рефлектору полусферической спирали. Питание антенны осуществляется согласующим симметрирующим трансформатором. Антенна сверхширокополосная и имеет малые габаритные размеры. В рабочем диапазоне частот антенна имеет хорошие РТХ, однако вблизи нижней границы диапазона и в области более низких частот уровень заднего излучения увеличен, а коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) и коэффициент усиления (КУ) носят осциллирующий характер. Это затрудняет настройку и увеличивает ошибки системы, где антенна используется.Of the known technical solutions, the closest in construction and technical essence to the claimed helical antenna is the ultra-wideband helical antenna selected as a prototype (RF patent 2422954). The antenna is made in the form of a combined two-way helix consisting of connected flat and hemispherical spirals. Inside the dielectric body, on which the hemispherical spiral is fixed, rings made of absorbing materials, upper and lower, are installed on metal reflectors of the flat and hemispherical spirals, while the diameter of the lower ring is equal to the diameter of the dielectric body. In addition, on the back side of the flat helix reflector there is a reverse ring made of absorbing material, with its working surface facing the hemispherical helix reflector. The antenna is powered by a balancing transformer. The antenna is ultra-wideband and has small overall dimensions. In the working frequency range, the antenna has good PTX, however, near the lower limit of the range and in the lower frequency range, the level of the rear radiation is increased, and the standing wave voltage ratio (VSWR) and the gain factor (KU) are oscillating. This makes setting up difficult and increases system errors where the antenna is used.

Целью предлагаемого изобретения является расширение диапазона рабочих частот антенны в область более низких частот.The aim of the invention is the expansion of the operating frequency of the antenna in the region of lower frequencies.

Указанная цель достигается тем, что антенна содержит комбинированную двухзаходную спираль, состоящую из соединенных плоской и полусферической спиралей, диэлектрический корпус, внутри которого размещены согласующий симметрирующий трансформатор и металлические рефлекторы плоской и полусферической спиралей с установленными на них кольцами из поглощающих материалов. При этом на обратной стороне рефлектора плоской спирали установлено обратное кольцо из поглощающего материала, обращенное рабочей поверхностью к рефлектору полусферической спирали. Согласно предлагаемому техническому решению внутри диэлектрического корпуса между поглощающим кольцом на рефлекторе полусферической спирали и обратным поглощающим кольцом на обратной стороне рефлектора плоской спирали размещено кольцо из диэлектрического материала.This goal is achieved by the fact that the antenna contains a combined two-way spiral consisting of connected flat and hemispherical spirals, a dielectric body, inside of which is placed a matching balancing transformer and metal reflectors of flat and hemispherical spirals with rings of absorbing materials mounted on them. At the same time, on the reverse side of the flat spiral reflector, there is a reverse ring made of absorbing material, facing the working surface to the reflector of the hemispherical spiral. According to the proposed technical solution, inside the dielectric body between the absorbing ring on the reflector of the hemispherical spiral and the reverse absorbing ring on the reverse side of the reflector of the flat helix there is a ring of dielectric material.

На рис. 1 представлена конструкция антенны, где 1 - плоская спираль, 2 - верхнее кольцо из поглощающего материала, 3 - металлический рефлектор плоской спирали, 4 - кольцо из диэлектрического материала, 5 - нижнее кольцо из поглощающего материала, 6 - полусферическая спираль, 7 - диэлектрический корпус, 8 - обратное кольцо из поглощающего материала, 9 - согласующий симметрирующий трансформатор, 10 - металлический рефлектор полусферической спирали.In fig. 1 shows the antenna design, where 1 is a flat helix, 2 is an upper ring made of absorbing material, 3 is a metal reflector of a flat helix, 4 is a ring made of dielectric material, 5 is a lower ring made of absorbing material, 6 is a hemispherical helix, 7 is a dielectric body , 8 - reverse ring of absorbing material, 9 - matching balancing transformer, 10 - metal reflector hemispherical helix.

Конструкция антенны представляет собой комбинацию плоской и полусферической двухзаходных спиралей. Плоская спираль (1) выполнена в виде металлических токопроводящих ветвей, размещенных на диэлектрической пластине. Внутренние концы ветвей плоской спирали возбуждаются согласующим симметрирующим трансформатором (9); наружные концы ветвей плоской спирали соединены с внутренними концами проволочной полусферической спирали (6), закрепленной на диэлектрическом корпусе (7). Внутри диэлектрического корпуса на металлических рефлекторах (3 и 10) плоской и полусферической спиралей установлены соответственно верхнее кольцо (2) и нижнее кольцо (5) из поглощающих материалов. На обратной стороне металлического рефлектора (3) плоской спирали установлено обратное кольцо (8) из поглощающего материала. Внутри диэлектрического корпуса между поглощающим кольцом (5) на рефлекторе полусферической спирали и обратным поглощающим кольцом (8) на обратной стороне рефлектора плоской спирали размещено кольцо (4) из диэлектрического материала.The antenna design is a combination of flat and hemispherical two-way spirals. Flat spiral (1) is made in the form of metal conductive branches placed on the dielectric plate. The inner ends of the branches of a flat helix are excited by a matching balun transformer (9); the outer ends of the branches of the flat helix are connected to the inner ends of the hemispherical wire helix (6) attached to the dielectric body (7). Inside the dielectric body on the metal reflectors (3 and 10) of the flat and hemispherical spirals are installed, respectively, the upper ring (2) and the lower ring (5) of absorbing materials. On the reverse side of the metal reflector (3) of the flat helix, a reverse ring (8) of absorbing material is installed. Inside the dielectric body between the absorbing ring (5) on the reflector of the hemispherical spiral and the reverse absorbing ring (8) on the reverse side of the reflector of the flat helix there is a ring (4) of dielectric material.

Низкий уровень заднего излучения антенны-прототипа, достигнут применением нижнего кольца из поглощающего материала, установленного на рефлекторе полусферической спирали, и обратного кольца из поглощающего материала, установленного на обратной стороне рефлектора плоской спирали. Дальнейшее расширение диапазона рабочих частот сверхширокополосной спиральной антенны в область более низких частот обеспечивается дополнительным уменьшением уровня заднего излучения и улучшением характеристик КСВН и КУ за счет более интенсивного поглощения электромагнитных полей токов, отраженных от концов ветвей полусферической спирали, вызываемого большей локализацией электромагнитных полей в диэлектрике, чем в воздухе, и увеличением электрической длины зазора между нижним и обратным кольцами из поглощающих материалов при размещении между ними шайбы из диэлектрического материала.The low level of the back radiation of the prototype antenna is achieved by using a lower ring of absorbing material mounted on a hemispherical helix reflector and a reverse ring of absorbing material mounted on the reverse side of a flat helix reflector. Further expansion of the operating frequency range of the ultra-wideband helical antenna to lower frequencies is provided by an additional decrease in the back radiation level and an improvement in the characteristics of VSWR and CG due to more intensive absorption of the electromagnetic fields of the currents reflected from the ends of the hemispherical branches caused by a greater localization of the electromagnetic fields in the dielectric than in the air, and an increase in the electrical length of the gap between the lower and reverse rings of absorbing materials at displacements between the two washers of insulating material.

Ввиду того, что кольцо из диэлектрического материала размещается внутри диэлектрического корпуса антенны, ее габаритные размеры не изменяются.Due to the fact that a ring of dielectric material is placed inside the dielectric body of the antenna, its overall dimensions do not change.

Таким образом, применение в конструкции сверхширокополосной спиральной антенны кольца из диэлектрического материала, размещенного между нижним и обратным кольцами из поглощающих материалов, решает поставленную задачу и обеспечивает достижение требуемого технического результата - расширение диапазона рабочих частот антенны в область более низких частот без увеличения ее габаритных размеров.Thus, the use of a ring of dielectric material placed between the lower and reverse rings of absorbing materials in the design of an ultra-wideband helical antenna solves the problem and ensures the achievement of the required technical result - extending the operating frequency range of the antenna to lower frequencies without increasing its overall dimensions.

Сверхширокополосная спиральная антенна с кольцом из диэлектрического материала, размещенного между нижним и обратным кольцом из поглощающего материала, изготовлена, проверена и используется в антенной системе пеленгатора.An ultra-wideband helical antenna with a ring of dielectric material placed between the lower and reverse rings of absorbing material, made, tested and used in the direction finder antenna system.

Сверхширокополосная спиральная антенна работает в непрерывном диапазоне УВЧ и СВЧ с перекрытием 20:1. Использование кольца из диэлектрического материала, размещенного между нижним и обратным кольцами из поглощающих материалов, улучшило РТХ антенны в нижней части диапазона частот с перекрытием 2,5:1. Осцилляции КСВН и КУ существенно сгладились, а уровень заднего излучения уменьшился вдвое. Это позволило расширить рабочий диапазон пеленгатора в область более низких частот.The ultra-wideband helical antenna operates in a continuous UHF and microwave range with an overlap of 20: 1. The use of a ring of dielectric material placed between the lower and reverse rings of absorbing materials improved the antenna PTX in the lower part of the frequency range with an overlap of 2.5: 1. The oscillations of KSVN and KU were significantly smoothed out, and the level of back radiation was halved. This allowed us to expand the operating range of the direction finder to lower frequencies.

Claims

An ultra-wideband helical antenna containing a combined two-way helix consisting of connected flat and hemispherical spirals, a dielectric body inside which is placed a matching balancing transformer and metal reflectors of a flat and hemispherical helix with rings of radio-absorbing materials mounted on them, while on the reverse side of the reflector a plane a reverse ring made of absorbing material, facing the hemisphere reflector with a working surface A spiral helix, characterized in that inside the dielectric body between the absorbing ring on the reflector of the hemispherical spiral and the reverse absorbing ring on the reverse side of the reflector of the flat helix there is a ring made of dielectric material.