RU2813818C1 - Коническая двухзаходная спиральная антенна - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к антенной технике и служит для организации совмещенных на приём и передачу антенно-фидерных систем командно-телеметрических радиолиний. Технический результат - увеличение полосы рабочих частот антенны с одновременным повышением механической прочности её конструкции. Результат достигается тем, что предложена коническая двухзаходная спиральная антенна, характеризующаяся тем, что состоит из центрального проводника, единой детали, которая выполнена по аддитивной технологии и включающей два эквиугольных спиральных излучателя, выполненных в виде лент, круглый металлический диск-основание, и внешний проводник симметрирующего устройства, выполненный в виде круглого коаксиального волновода, узкие концы спиральных излучателей электрически соединены с выходным проводником симметрирующего устройства, а широкие концы с кромкой диска-основания, при этом в центральный проводник добавлен ряд металлических цилиндров с постепенно увеличивающимся радиусом, внешний проводник усилен симметричными ребрами жесткости, крепящимися к диску-основанию. 5 ил.

Description

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к области антенной техники и может быть использовано для организации совмещенных на приём и передачу антенно-фидерных систем командно-телеметрических радиолиний, а также в широкополосных приёмных каналах аппаратуры спутниковой навигации в составе космических аппаратов.

Спиральные антенны имеют важное значение для радиоэлектронных систем. Как правило, такой тип антенн имеет эллиптическую поляризацию. Спиральные антенны могут быть разных видов, например, цилиндрические, конические, плоские. Стоит отметить, что конические спиральные антенны могут широко использоваться, например для организации спутниковой связи на подвижных объектах, как самолеты, корабли и пр.

Так из уровня техники известна антенна по патенту US 2919442 A (опубликован 29.12.1959, H01Q11/08), которая является антенной спирального типа и, в частности, конического спирального типа, имеющая большую ширину полосы, улучшенную круговую поляризацию. Кроме того, в соответствии с указанным изобретением антенна является прочной и обладает высокой жесткостью.

Однако, стоит отметить, что указанные в материалах заявки свойства антенны, в части её механических свойств, обусловлены наличием в её конструктивном выполнении опор, расставленных по периметру конструкции антенны, что значительно повышает её общую массу.

Также стоит отметить, что представленная антенна имеет всего одну спираль, что в значительной степени снижает её характеристики в широкополосных приёмных каналах.

Согласно патенту CN 104916917 A (опубликован 16.09.2015, H01Q11/08; H01Q19/12) известна широкополосная антенна волнового луча мобильного терминала спутниковой связи. В конструкции антенны в основном используются такие технологии, как резонансная двуплечая спиральная антенна, балансир щелевого типа, приближенная к зеркальному отражению конусная металлическая отражающая пластина и т.п. Также базовая конструкция включает в себя: двухспиральную антенну из медной проволоки, излучающую часть, пластиковую часть и сбалансированную коаксиальную линию питания (внутренний проводник и внешний проводник). Данный тип антенн как раз может быть использован на транспортных средствах.

Однако, стоит упомянуть о том, что конструкция таких антенн весьма массивна.

В литературе известны двухзаходные конические спиральные антенны (например, Space Antenna Handbook, William A. Imbriale, Steven Gao, Luigi Boccia. – John Wiley & Sons. 776 с. 2012. ISBN 1119945844, 9781119945840), обладающие широкой полосой рабочих частот и позволяющие формировать диаграмму направленности близкую к полусфере, необходимую для организации устойчивого радиоканала между наземным сегментом управления и космическим аппаратом при произвольном относительном угловом положении последнего.

Для использования антенн в составе космических аппаратах им необходимо обеспечить требуемую прочность и жесткость конструкции, которая обычно достигается за счет использования диэлектрического конического каркаса. Спиральные излучатели при этом, выполненные в виде металлических лент, закрепляются на каркасе с помощью клеевых соединений или заклёпок (патенты US 2958081 A – опубликован 25.10.1960, H01Q11/08 и US 3188643 A – опубликован 08.06.1965, H01Q11/08). Дальнейшее повышение механической прочности достигается с помощью использования круглого металлического диска, к которому крепится конус (например, патенты US 4697192 A – опубликован 29.09.1987, H01Q11/08; (IPC1-7): H01Q1/36, RU 2458438 C1 – опубликован 10.08.2012, H01Q11/00).

Использование диэлектрического каркаса в конструкции антенны сопряжено со следующими недостатками:

– Высокая масса изделия;

– Разброс электродинамических свойств антенны от образца к образцу, обусловленный влиянием допусков на электрические параметры диэлектрических материалов каркаса и клея;

– Наличие температурной зависимости характеристик антенны;

– Необходимость использования специфических диэлектрических материалов, допускаемых к применению именно в условиях космического пространства.

Представленные недостатки отсутствуют в ближайшем аналоге изобретения – патент RU 2730114 C2 (опубликован 10.01.2020, H01Q 11/08 (2006.01), H01Q 1/36 (2006.01)), где антенна содержит два эквиугольных спиральных излучателя, выполненных в виде лент, и симметрирующее устройство, расположенное по оси антенны и выполненное в виде круглого коаксиального волновода, на конце которого размещены два выходных проводника. Узкие концы излучателей электрически подсоединены к выходным проводникам симметрирующего устройства, а широкие концы – к кромке круглого электропроводящего диска. Выходные проводники симметрирующего устройства образованы двумя симметрично расположенными на внешнем проводнике симметрирующего устройства продольными щелями. В аналоге также предлагается выполнять внешний проводник симметрирующего устройства, спиральные излучатели и диск в виде единой детали, изготовленной по аддитивной технологии послойным лазерным сплавлением.

Основным недостатком ближайшего аналога является узкополосность, то есть узкий диапазон частот, что ограничивает его использование в составе совмещенных антенных систем, обеспечивающих как приём, так и передачу радиоволн в разнесенных частотных диапазонах.

Кроме того, такое конструктивное выполнение не обеспечивает необходимой прочности и жесткости, что в достаточной степени снижает долговечность антенны.

Задачей настоящего изобретения является решение указанных проблем в уровне техники, а именно создание широкополосной конической двухзаходной спиральной антенны, которая может быть задействована в совмещенных антенных системах.

Технический результат, достигаемый предлагаемым решением, заключается в возможности реализации совмещенных на приём и передачу сигналов с сильно разнесенными частотами или широкополосными системами, путем увеличения полосы рабочих частот антенны с одновременным повышением механической прочности её конструкции.

Как следствие повышается надежность антенны в целом.

Сущность заявляемого изобретения является следующее конструктивное выполнение конической двухзаходной спиральной антенны, при котором она состоит из центрального проводника, единой детали, которая выполнена по аддитивной технологии и включающей два эквиугольных спиральных излучателей, выполненных в виде лент, круглого металлического диска-основания, и внешнего проводника симметрирующего устройства, выполненного в виде круглого коаксиального волновода, узкие концы спиральных излучателей электрически соединены с выходным проводником симметрирующего устройства, а широкие концы с кромкой диска-основания, при этом, в центральный проводник добавлен ряд металлических цилиндров с постепенного увеличивающимся радиусом, а в центральный проводник симметрирующего устройства вклеен ряд втулок из фольгированного диэлектрика, внешний проводник усилен симметричными ребрами жесткости, крепящихся к диску-основанию, а в верхней части антенны расположена вставка из фольгированного диэлектрика, расположенная в щели между внешним проводником симметрирующего устройства и узким концом спирального излучателя.

Согласно изобретению, основным конструктивным элементом конической спиральной антенны является единая деталь, выполненная по аддитивной технологии. Она включает в себя два эквиугольных спиральных излучателя (для реализации круговой поляризации) выполненных в виде лент, круглый металлический диск-основание (далее – диск) и внешний проводник симметрирующего устройства, в качестве которого выступает круглый коаксиальный волновод.

В свою очередь узкие концы спиральных излучателей электрически соединены с выходным проводникам симметрирующего устройства, а широкие концы – с кромкой металлического диска, электрически соединенного с внешним проводником симметрирующего устройства. Конец одного из выходных проводников соединен с концом внутреннего проводника коаксиального волновода с помощью пайки. Выходные проводники симметрирующего устройства образованы двумя продольными щелями длиной близкой к четверти длины волны в вакууме.

Центральный проводник симметрирующего устройства выполнен из металлической трубки. В верхней части центрального проводника добавлен ряд металлических цилиндров с постепенным увеличивающимся радиусом, выполняющих функции плавного согласующего трансформатора.

Поскольку в плавном трансформаторе волновое сопротивление уменьшается не скачкообразно, а непрерывно вдоль всей длины линии, уменьшается искажение сигнала, что даёт возможность реализации совмещенных (приём/передача с сильно разнесенными частотами) или широкополосных систем, применяемых в том, числе в составе космических аппаратов.

Для повышения механической прочности в центральный проводник симметрирующего устройства вклеен ряд втулок из фольгированного диэлектрика.

Использование втулок позволяет избежать низкочастотных колебаний, которые могут возникнуть в конструкции при наличии закрепленного только на одной точке пайки тонкого симметрирующего устройства.

В верхней части антенны расположена вставка из фольгированного диэлектрика, расположенная в щели между внешним проводником симметрирующего устройства и узким концом спирального излучателя. В основании присутствуют симметрично расположенные ребра жесткости, соединяющие внешний проводник и диск.

Кроме того, к основному конструктивному элементу конической спиральной антенны можно отнести единую деталь, выполненную по аддитивной технологии, и включающая в себя два эквиугольных спиральных излучателя (для реализации круговой поляризации) выполненных в виде лент, круглого металлического диска-основания и внешний проводник симметрирующего устройства, в качестве которого выступает круглый коаксиальный волновод.

Суть изобретения поясняется следующими материалами:

Фиг. 1 – показан общий вид антенны.

Фиг. 2 – показан узел соединения разъема с центральным проводником.

Фиг. 3 – представлен продольный разрез узла соединения выходных проводников.

Фиг. 4 – показан вид антенны сверху на узел соединения выходных проводников.

Фиг. 5 – представлен поперечный разрез центрального проводника.

Заявляемая антенна устроена следующим образом.

Коническая спиральная антенна, содержит симмертирующее устройство 1, спиральные излучатели 2 и 3, и диск 4 (фигура 1).

Далее со ссылками на фиг. 2-5 дано подробное описание представленного изобретения.

Симметрирующее устройство 1 расположено по оси антенны и выполнено в виде круглого коаксиального волновода. Симметрирующее устройство содержит внутренний проводник 5 и внешний проводник 6. Выходные проводники 7, 8 образованы двумя симметрично распложенными на внешнем проводнике щелями. Проводник 7 электрически соединен со спиральным излучателем 2 на верхней части антенны, проводник 8 аналогичным образом соединен со спиральным излучателем 3. Центральный проводник 9 выполнен из стержней разного диаметра 10 и 11, верхний стержень 11 припаян к излучателю 3 и изолирован от излучателя 2, дугообразным выступом на диске из фольгированного диэлектрика 12. Широкие концы излучателей 2 и 3 электрически соединены с диском 4. Нижняя часть внешнего проводника 6 тоже электрически соединена с диском 4.

Для повышения устойчивости диск из фольгированного диэлектрика служит связующим звеном для спиральных излучателей 2 и 3 с помощью винтов 13, а на центральном излучателе располагаются несколько втулок из фольгированного диэлектрика 14. Внешний проводник усилен четырьмя симметричными ребрами жесткости 15. Все части антенны за исключением центрального проводника 5 и изолирующих компонентов 12, 14 выполняются одной деталью с помощью 3D печати (аддитивной технологии послойным лазерным сплавлением).

Такое выполнение позволяет повысить стойкость антенны к воздействию тепловых и механических нагрузок.

Внутренняя часть коаксиального волновода выполнена одного диаметра для удобства постобработки. Разъем 16 центрируется относительно коаксиального волновода с помощью изолирующей втулки 17.

Антенна работает следующим образом.

Коническая спиральная антенна круговой поляризации возбуждается электромагнитной волной со стороны радиочастотного коаксиального соединителя 16. Далее через симметрирующее устройство 1 осуществляется синфазное и противофазное деление волны между спиральными излучателями 2 и 3, которые излучают электромагнитную волну в свободное пространство. Внешние утолщенные проводники (6 в текущем примере) осуществляют плавный переход волнового сопротивления с 50 Ом до 190 Ом, равного входному сопротивлению спиральной антенны.

Таким образом, конструктивное выполнение предлагаемого изобретения обеспечивает возможность реализации совмещенных на приём и передачу сигналов с сильно разнесенными частотами или широкополосными системами, путем увеличения полосы рабочих частот антенны с одновременным повышением механической прочности её конструкции.

Claims (1)

1. Коническая двухзаходная спиральная антенна, характеризующаяся тем, что состоит из центрального проводника, единой детали, которая выполнена по аддитивной технологии и включающей два эквиугольных спиральных излучателя, выполненных в виде лент, круглый металлический диск-основание и внешний проводник симметрирующего устройства, выполненный в виде круглого коаксиального волновода, узкие концы спиральных излучателей электрически соединены с выходным проводником симметрирующего устройства, а широкие концы с кромкой диска-основания, при этом в центральный проводник добавлен ряд металлических цилиндров с постепенно увеличивающимся радиусом, а в центральный проводник симметрирующего устройства вклеен ряд втулок из фольгированного диэлектрика, внешний проводник усилен симметричными ребрами жесткости, крепящимися к диску-основанию, а в верхней части антенны расположена вставка из фольгированного диэлектрика, расположенная в щели между внешним проводником симметрирующего устройства и узким концом спирального излучателя.