RU2755340C1

RU2755340C1 - Ultra wide band spiral antenna

Info

Publication number: RU2755340C1
Application number: RU2020136350A
Authority: RU
Inventors: Данил Данилович Кохнюк; Игорь Александрович Боровик; Галина Николаевна Селиванова; Иван Николаевич Звягинцев
Original assignee: Акционерное общество "Центральное конструкторское бюро автоматики"
Priority date: 2020-11-03
Filing date: 2020-11-03
Publication date: 2021-09-15

Abstract

FIELD: antenna equipment.

SUBSTANCE: invention relates to antenna technology, namely to spiral antennas operating in the range of ultra-high (UHF) and super-high frequencies (SHF) as part of antenna systems for various purposes, in particular in direction finding and tracking systems. The technical result is achieved by the fact that an ultra-wideband spiral antenna containing a combined two-thread spiral consisting of connected flat and hemispherical spirals, a dielectric housing with a hemispherical spiral placed on it, a matching balancing transformer and metal reflectors of flat and hemispherical spirals, on which rings of radio-absorbing materials are installed, while the outer diameter of the lower ring is equal to the diameters of the dielectric body and the reflector of the hemispherical spiral, in contrast to the prototype, it has spiral grooves on the lateral cylindrical surface of the lower radio-absorbing ring, in which the extension sections of the branches of the hemispherical spiral are laid.

EFFECT: creation of an ultra-wide band small-sized spiral antenna of a simplified design with increased manufacturability.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике, а именно к спиральным антеннам, работающим в 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 the 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 минимальности габаритных размеров и максимальной широкополосности (перекрытие рабочего диапазона частот 20:1 и более).When designing modern radio engineering systems, antennas are usually required to have minimum overall dimensions and maximum broadband (overlapping the operating frequency range of 20: 1 or more).

Миниатюризация спиральных антенн может достигаться модификацией ветвей спиралей путем введения в их структуру индуктивных или емкостных элементов и за счет сосредоточенных активных или реактивных компонентов, размещаемых на ветвях спиралей. При этом требуется оптимизация структуры антенны или способа нагрузки для получения максимального коэффициента усиления (КУ) в широком диапазоне частот при заданных размерах антенны (Kyohei Fujimoto and Hisashi Morishita. Modern Small Antennas. Cambridge University PRESS, p. 169).Miniaturization of spiral antennas can be achieved by modifying the spiral branches by introducing inductive or capacitive elements into their structure and by lumped active or reactive components placed on the spiral branches. This requires optimization of the antenna structure or loading method to obtain maximum gain (GF) over a wide frequency range for a given antenna size (Kyohei Fujimoto and Hisashi Morishita. Modern Small Antennas. Cambridge University PRESS, p. 169).

Известны конструктивные решения, позволяющие обеспечить в той или иной мере выполнение указанных требований. Так, в щелевых спиральных антеннах с этой целью используют оконечные нагрузки в виде системы чип-резисторов, установленных поперек щели (M.W. Nurnberger and J.L. Volakis. New Termination for Ultrawide-Band Slot Spirals. Antennas Propagat. Vol. 50, No. 1. Jan. 2002) или, например, наружные витки плоской двухзаходной спирали выполняют в виде линий задержки путем придания им зигзагообразной формы (патент РФ 2565524).Known constructive solutions to ensure, in one way or another, the fulfillment of these requirements. So, in slot spiral antennas, for this purpose, termination loads are used in the form of a system of chip resistors installed across the slot (MW Nurnberger and JL Volakis. New Termination for Ultrawide-Band Slot Spirals. Antennas Propagat. Vol. 50, No. 1. Jan . 2002) or, for example, the outer turns of a flat two-lead spiral are made in the form of delay lines by giving them a zigzag shape (RF patent 2565524).

Известна спиральная антенна (патент РФ 2071153), содержащая плоскую спираль, экран, симметрирующее устройство и два кольца из поглощающего материала, установленных в активной области спирали в зоне отсечки тока на нижнем участке рабочих частот: одно сверху на спирали, второе без зазора между спиралью и экраном, при этом диаметры спирали, экрана и колец соразмерны. Такое решение позволяет уменьшить диаметр и высоту антенны и обеспечить ее работу в широкой полосе частот с оптимальными параметрами.Known spiral antenna (RF patent 2071153), containing a flat spiral, a screen, a balancing device and two rings of absorbing material installed in the active region of the spiral in the current cutoff zone at the lower section of operating frequencies: one on top of the spiral, the second without a gap between the spiral and screen, while the diameters of the spiral, screen and rings are proportional. This solution makes it possible to reduce the diameter and height of the antenna and ensure its operation in a wide frequency band with optimal parameters.

Однако в описании изобретения не приводятся габаритные размеры антенны, нет информации о ее широкополосности, что не позволяет реально оценить полученный результат.However, in the description of the invention, the overall dimensions of the antenna are not given, there is no information about its broadband, which does not allow us to really evaluate the result obtained.

В данной конструкции нижнее поглощающее кольцо и экран обеспечивают однонаправленность излучения антенны, а верхнее поглощающее кольцо выполняет роль оконечной поглощающей нагрузки, ослабляющей влияние токов, отраженных от концов спирали. Использование в антенне двух поглощающих колец, воздействующих на токи в одной и той же активной области спирали в зоне отсечки тока на нижнем участке рабочих частот, представляется избыточным и усложняет конструкцию антенны.In this design, the lower absorbing ring and the shield ensure the unidirectionality of the antenna radiation, and the upper absorbing ring acts as a terminal absorbing load that attenuates the effect of currents reflected from the ends of the spiral. The use of two absorbing rings in the antenna, acting on the currents in the same active region of the spiral in the current cutoff zone at the lower section of the operating frequencies, seems redundant and complicates the design of the antenna.

Известна спиральная антенна (патент РФ 2620766), содержащая плоскую и полусферическую 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 контактами соединены с нижними концами полусферической спирали.Known spiral antenna (RF patent 2620766), containing a flat and hemispherical spiral, absorber, base, balancing device and a corrector in the form of a dielectric ring, coaxial with the hemispherical spiral and located outside in the lower part of its turns. In this case, additional turns of the spiral are fixed on the outer surface of the ring, the upper ends of which are connected by contacts with the lower ends of the hemispherical spiral.

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.The installation of an additional dielectric ring with spiral turns improves the radio technical characteristics (PTX) of the antenna in the low frequency region, expanding its operating range, but at the same time increasing the antenna diameter.

Из известных технических решений наиболее близким конструктивно и по технической сущности является сверхширокополосная спиральная антенна, выполненая в виде комбинированной двухзаходной спирали, состоящей из соединенных плоской и полусферической спиралей. Питание антенны осуществляется согласующим симметрирующим трансформатором. Внутри диэлектрического корпуса, на котором закреплена полусферическая спираль, на металлических рефлекторах плоской и полусферической спиралей установлены кольца из радиопоглощающих материалов, верхнее и нижнее, при этом диаметр нижнего кольца равен диаметрам диэлектрического корпуса и рефлектора полусферической спирали (патент РФ 2422954).Of the known technical solutions, the closest structurally and in technical essence is an ultra-wideband spiral antenna made in the form of a combined two-thread spiral consisting of connected flat and hemispherical spirals. The antenna is powered by a matching balancing transformer. Inside the dielectric body, on which the hemispherical spiral is fixed, rings made of radio-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 diameters of the dielectric body and the reflector of the hemispherical spiral (RF patent 2422954).

Известно, что нижние концы ветвей полусферической спирали с целью улучшения РТХ на нижних частотах нагружены активными резисторами, включенными между нижними концами каждой из ветвей и металлическим рефлектором полусферической спирали.It is known that the lower ends of the branches of the hemispherical spiral are loaded with active resistors connected between the lower ends of each of the branches and the metal reflector of the hemispherical spiral in order to improve the PTX at low frequencies.

Антенна сверхширокополосна, малогабаритна и имеет хорошие РТХ, однако установка нагрузочных резисторов усложняет конструкцию антенны, снижает ее технологичность. Для размещения резисторов потребовалось в нижнем поглощающем кольце выполнить выборки, а на рефлекторе полусферической спирали дополнительно установить контакты.The antenna is ultra-wideband, small in size and has good RTX, however, the installation of load resistors complicates the antenna design and reduces its manufacturability. To place the resistors, it was necessary to make samples in the lower absorbing ring, and additionally install contacts on the reflector of the hemispherical spiral.

Целью изобретения является сверхширокополосная малогабаритная спиральная антенна упрощенной конструкции и повышенной технологичностью изготовления.The aim of the invention is an ultra-wideband small-sized helical antenna with a simplified design and improved manufacturability.

Указанная цель достигается тем, что в сверхширокополосной спиральной антенне, содержащей комбинированную двухзаходную спираль, состоящую из соединенных плоской и полусферической спиралей, диэлектрический корпус с размещенной на нем полусферической спиралью, согласующий симмтерирующий трансформатор и металлические рефлекторы плоской и полусферической спирали, на которых установлены кольца из радиопоглощающих материалов, при этом внешний диаметр нижнего кольца равен диаметрам диэлектрического корпуса и рефлектора полусферической спирали. На боковой цилиндрической поверхности нижнего радиопоглощающего кольца выполнены спиральные канавки и в них уложены удлиняющие участки ветвей полусферической спирали.This goal is achieved by the fact that in an ultra-wideband spiral antenna containing a combined double-threaded spiral consisting of connected flat and hemispherical spirals, a dielectric housing with a hemispherical spiral placed on it, a matching balancing transformer and metal reflectors of a flat and hemispherical spiral, on which rings of radio-absorbing materials, while the outer diameter of the lower ring is equal to the diameters of the dielectric housing and the reflector of the hemispherical spiral. Spiral grooves are made on the lateral cylindrical surface of the lower radar absorbing ring, and the extension sections of the hemispherical spiral branches are laid in them.

На рис. 1 представлена конструкция антенны, где 1 - плоская спираль, 2 - верхнее кольцо из радиопоглощающего материала, 3 - металлический рефлектор плоской спирали, 4 - нижнее кольцо из радиопоглощающего материала, 5 - металлический рефлектор полусферической спирали, 6 - полусферическая спираль, 7 - диэлектрический корпус, 8 - согласующий симметрирующий трансформатор, 9 - спиральные канавки, 10 - удлиняющие участки полусферической спирали.In fig. 1 shows the antenna design, where 1 is a flat spiral, 2 is an upper ring made of a radio-absorbing material, 3 is a metal reflector of a flat spiral, 4 is a lower ring of a radio-absorbing material, 5 is a metal reflector of a hemispherical spiral, 6 is a hemispherical spiral, 7 is a dielectric housing. , 8 - matching balancing transformer, 9 - spiral grooves, 10 - lengthening sections of the hemispherical spiral.

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 (8); 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 5) плоской и полусферической спиралей установлены верхнее кольцо (2) и нижнее кольцо (4) из радиопоглощающих материалов. На боковой цилиндрической поверхности нижнего радиопоглощающего кольца выполнены спиральные канавки (9) и в них уложены удлиняющие участки (10) ветвей полусферической спирали.The antenna design is a combination of flat and hemispherical two-thread spirals. The flat spiral (1) is made in the form of metal conductive branches placed on a dielectric plate. The inner ends of the branches of a flat spiral are excited by a matching balancing transformer (8); the outer ends of the branches of the flat spiral are connected to the inner ends of the hemispherical wire spiral (6) fixed on the dielectric body (7). An upper ring (2) and a lower ring (4) made of radio-absorbing materials are installed inside the dielectric housing on metal reflectors (3 and 5) of flat and hemispherical spirals. On the lateral cylindrical surface of the lower radar absorbing ring, spiral grooves (9) are made, and the extension sections (10) of the hemispherical spiral branches are placed in them.

Сверхширокополосность антенны обеспечивается излучателем в виде комбинированной двухзаходной спирали совместно с поглощающим резонатором, состоящим из верхнего и нижнего радиопоглощающих колец, расположенных на рефлекторах соответственно плоской и полусферической спиралей.The ultra-wideband antenna is provided by a radiator in the form of a combined two-thread spiral together with an absorbing resonator consisting of upper and lower radio-absorbing rings located on the reflectors of the flat and hemispherical spirals, respectively.

Уменьшение уровня заднего излучения, улучшение эллиптичности излучаемого электромагнитного поля и, соответственно, дальнейшее расширение рабочего диапазона частот в область более низких частот без увеличения диаметра антенны достигается выполнением на боковой цилиндрической поверхности нижнего радиопоглощающего кольца спиральных канавок и укладка в них удлиняющих участков ветвей полусферической спирали. Радиопоглощающий материал нижнего радиопоглощающего кольца, находящийся в контакте с удлиняющими участками ветвей полусферической спирали, ослабляет токи, отраженные от концов проводников ветвей спирали, и, тем самым, выполняется функция нагрузочных резисторов.Reducing the level of back radiation, improving the ellipticity of the radiated electromagnetic field and, accordingly, further expanding the operating frequency range to lower frequencies without increasing the antenna diameter is achieved by performing spiral grooves on the lateral cylindrical surface of the lower radio-absorbing ring and laying in them the extension sections of the hemispherical spiral branches. The radio-absorbing material of the lower radio-absorbing ring, which is in contact with the lengthening portions of the hemispherical spiral branches, attenuates the currents reflected from the ends of the conductors of the spiral branches, and, thus, performs the function of load resistors.

Ввиду того, что удлиняющие участки ветвей полусферической спирали размещаются внутри спиральных канавок, диаметр антенны не изменяется.Due to the fact that the lengthening sections of the hemispherical spiral branches are located inside the spiral grooves, the antenna diameter does not change.

Антенна более проста и технологична по сравнению с антенной-прототипом. В конструкции антенны уменьшается количество комплектующих деталей и сборочных узлов, снижается трудоемкость изготовления деталей, относящихся к местам установки резисторов. При этом РТХ и габаритно-весовые характеристики сверхширокополосной спиральной антенны полностью сохраняются. Габаритные размеры антенны (относительно λ_ниж - длины волны, соответствующей нижней частоте рабочего диапазона):The antenna is simpler and more technologically advanced than the prototype antenna. In the design of the antenna, the number of components and assemblies is reduced, and the labor intensity of manufacturing parts related to the resistor installation sites is reduced. At the same time, the PTX and the overall and weight characteristics of the UWB helical antenna are fully preserved. Overall dimensions of the antenna (relative to λ _lower - the wavelength corresponding to the lower frequency of the operating range):

диаметрdiameter (0,16-0,18) λ_ниж (0.16-0.18) λ _lower высота (без разъема)height (without connector) 0,12 λ_ниж 0.12 λ _lower

Таким образом, выполнение на боковой цилиндрической поверхности нижнего радиопоглощающего кольца спиральных канавок и укладка в них удлиняющих участков ветвей полусферической спирали решило задачу упрощения конструкции антенна и повышения технологичности ее изготовления. Антенна работает в непрерывном диапазоне УВЧ и СВЧ с перекрытием 20:1.Thus, the execution of spiral grooves on the lateral cylindrical surface of the lower radio-absorbing ring and the laying of the extension sections of the branches of the hemispherical spiral in them solved the problem of simplifying the antenna design and improving the manufacturability of its manufacture. The antenna operates in a continuous range of UHF and UHF with 20: 1 overlap.

Claims

Ultra-wideband helical antenna containing a combined two-thread spiral consisting of connected flat and hemispherical spirals, a dielectric housing with a hemispherical spiral placed on it, a matching balancing transformer and metal reflectors of flat and hemispherical spirals, on which rings made of radio-absorbing materials are installed, with the outer diameter of the lower the ring is equal to the diameters of the dielectric body and the reflector of the hemispherical spiral, characterized in that spiral grooves are made on the lateral cylindrical surface of the lower radio-absorbing ring and the extension sections of the hemispherical spiral branches are laid in them.