Антенный элемент и способ его изготовления

Изобретение относится к антенной технике. Техническим результатом является увеличение широкополосности спиральной антенны, а также обеспечение ее работоспособности при воздействии вибрационных нагрузок в интервале температур -60°C-+140°C наряду с повышением технологичности изготовления и обеспечением идентичности изготовленных антенных элементов. Сущность изобретения заключается в том, что полусферический корпус антенного элемента выполнен с уменьшением толщины его стенки от основания к вершине и изготовлен методом литьевого прессования из эпоксидного пресс-материала с последующим выполнением на нем углубленного рисунка для размещения спирального излучателя. Плавное изменение толщины стенки корпуса от рабочей зоны в области верхних частот к рабочей зоне в области низких частот обеспечивает малый уровень КСВН (коэффициент стоячей волны по напряжению) широкополосной спиральной антенны. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в антенной технике.

Антенный элемент, представляющий собой полусферический профилированный диэлектрический корпус, предназначен для навивки спирального излучателя антенны, работающей в широкой полосе частот при воздействующих климатических и механических факторах.

Указанный антенный элемент является основной деталью спиральной антенны, от которой зависит ее широкополосность, прочностные характеристики и способность обеспечивать радиотехнические характеристики в условиях эксплуатации.

Важнейшими параметрами антенного элемента являются: диэлектрическая проницаемость, толщина стенки полусферы и основные механические и климатические характеристики. Кроме этого, к материалам антенного элемента предъявляются требования по идентичности изготовления изделий и по возможности перерабатываться в заданную форму без потерь материала.

По типу применяемого диэлектрического материала известна антенна (патент Н 01 Q 1/24 (11) WO 03073554 A1, опубликован 04.09.2003 г.), в которой диэлектрический сердечник выполнен из эпоксидной смолы с последующим нанесением на него излучателей на пластмассовой пленке, нанесенной поверх слоя смолы. Недостатком эпоксидной смолы без наполнителя является хрупкость при механических воздействиях и недостаточная теплостойкость. Кроме этого, представленная антенна является узкополосной.

Наиболее близкой к изобретению является спиральная антенна спутника «Транзит» (Резников Г.Б. Антенны летательных аппаратов. - М., Советское радио, 1967, с.355-358). В спутнике, имеющем форму шара, применяется одна щелевая логарифмическая спиральная антенна. Она состоит из двух полусферических щелевых излучателей, каждый из которых представляет собой двузаходную логарифмическую спираль. Щели прорезаны в металлической оболочке спутника. Большие размеры спутника (⊘ 90 см) позволяют применить щелевой вариант спиральной антенны, работающей в метровом диапазоне волн (˜135 Мгц). Однако в дециметровом и сантиметровом диапазоне волн технологичнее применить полусферический диэлектрический корпус, на который навиваются спиральные излучатели из проволоки. В этом случае выбор диэлектрического материала и профиля стенки корпуса требует проведения экспериментальной отработки.

Целью изобретения является увеличение частотной широкополосности спиральной антенны, а также обеспечение ее работоспособности при воздействии вибрационных нагрузок в интервале температур - 60°С-+140°С наряду с повышением технологичности и идентичности изготовления диэлектрических корпусов.

Указанная цель достигается тем, что полусферический диэлектрический корпус для широкополосной спиральной антенны изготавливается методом литьевого прессования эпоксидного пресс-материала, имеющего относительно высокую диэлектрическую проницаемость. Стенка диэлектрического корпуса профилируется так, чтобы в области более высоких частот толщина стенки была максимально тонкой, но все-таки конструктивно прочной. Плавное изменение толщины стенки корпуса от рабочей зоны в области верхних частот к рабочей зоне в области низких частот обеспечивает малый уровень КСВН (коэффициент стоячей волны по напряжению) широкополосной спиральной антенны.

На фиг.1 представлена форма полусферического диэлектрического корпуса в виде оболочки, имеющей одинаковую толщину. На внешней поверхности корпуса сформирован механическим путем углубленный рисунок, в котором размещается спиральный излучатель антенны.

На фиг.2 приведена форма заявляемого полусферического диэлектрического корпуса с переменной толщиной стенки из эпоксидного пресс-материала. На внешней поверхности корпуса сформирован механическим путем углубленный рисунок, в котором размещается спиральный излучатель антенны.

Пресс-материал, поставляемый в готовом виде, содержит эпоксидную смолу, наполнитель - микростекловолокно и ускоритель. Пресс-материал обладает хорошими механическими свойствами и рабочей температурой - 60°С-+180°С, низким водопоглощением 0,02%, низким коэффициентом термического линейного расширения, диэлектрической проницаемостью 4,2-4,45, усадкой при литье (менее 0,4%). Данный пресс-материал позволил изготовить антенный элемент для широкополосной спиральной антенны с точностью 12 квалитета. Наружный и внутренний диаметральные размеры корпусов обеспечиваются пресс-формой. На внешней поверхности корпуса сформирован механическим путем углубленный рисунок, в котором размещается спиральный излучатель широкополосной антенны.

Обычно для антенн, работающих в широкой полосе частот, используют материалы с низкой диэлектрической проницаемостью.

Для проведения экспериментальных работ были выбраны материалы с низкой диэлектрической проницаемостью: полифениленоксид Арилокс 2101, Ниплон - 2/3, полисульфон ПСФ-150-1 и эпоксидный пресс-материал с относительно высокой диэлектрической проницаемостью.

Основные свойства исследованных материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1
Показатель	Единицы измерения	Арилокс 2101	Ниплон-2/3	Полисульфон ПСФ-150-1	Эпоксидный пресс-материал
1. Плотность	кг/м3	1060	1380	2200	1670-1710
2. Рабочая температура	°С	от -60 до +150	от -60 до +250	от -60 до +150	от -60 до +180
3. Ударная вязкость	КДж/м2	30	-	100-125	20
4. Разрушающее напряжение		60	60-80	72	100-200
- при растяжении	МПа				150-170
- при сжатии					180-230
- при изгибе
5. Твердость по Бринеллю	МПа	-	220	1028	200
6. Коэффициент термического линейного расширения	°С-1	5,2×10-5	3,3×10-5	5,2×10-5	1,3×10-5
7. Диэлектрическая проницаемость при частоте 10 Гц	-	2,5-2,6	3,5±0,1	2,6-2,8	4,2-4,45
8. Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 106 Гц	-	(4-8)×10-4	(3,5-5)×10-3	8×10-3	2×10-2
9. Электрическая прочность	МВ/м	18	18	17-20	30
10. Водопоглощение за 24 ч	%	0,02-0,04	0,1-0,11	0,4	0,02
11. Усадка	%	1,3	-	0,7	0,4
12. Способ и температура переработки	°С	Литье под давлением 320-340	Литьевое прессование 320-350	Литье под давлением 300-350	Литьевое прессование 140-150

Как видно из таблицы, выбранные для экспериментов материалы имеют хорошие механические характеристики, широкий интервал рабочих температур, имеют низкое водопоглощение, низкий коэффициент термического линейного расширения, а также способность перерабатываться в заданную форму без потерь материала.

По фиг.1 из перечисленных выше материалов были изготовлены полусферические диэлектрические корпуса, в канавки которых уложили спиральные излучатели антенн. Далее для проверки РТХ были собраны антенные блоки.

Однако для антенн с полусферическими диэлектрическими корпусами из полифениленоксида Арилокса 2101, Ниплона - 2/3, полисульфона ПСФ-150-1 было отмечено ухудшение монотонности диаграмм направленности и увеличение уровня задних лепестков в 2-3 раза (до 18%). Также недостатком перечисленных материалов является высокая температура переработки в изделия.

Для антенн с полусферическими диэлектрическими корпусами из эпоксидного пресс-материала проверка показала некоторое незначительное изменение диаграмм направленности. Экспериментальные измерения диэлектрической проницаемости эпоксидного пресс-материала в диапазоне СВЧ показали ее значение, равное 4,2-4,45. Исходя из этого, было принято решение профилировать стенку корпуса так, чтобы в области более высоких частот толщина стенки была максимально тонкой, но все-таки конструктивно прочной. Плавное изменение толщины стенки корпуса от рабочей зоны в области верхних частот к рабочей зоне в области низких частот должно было обеспечить приемлемые радиотехнические характеристики широкополосной антенны.

Для проверки радиотехнических характеристик по фиг.2 были изготовлены полусферические диэлектрические корпуса с переменной толщиной стенки из эпоксидного пресс-материала. На внешней поверхности корпуса был сформирован механическим путем углубленный рисунок, в который поместили спиральный излучатель антенны. Были собраны антенные блоки, и произведена их проверка по РТХ.

Экспериментальные измерения на нескольких образцах антенн подтвердили сделанное предположение.

Таким образом, установлена и экспериментально подтверждена зависимость частотной широкополосности спиральной антенны от профиля стенки полусферического диэлектрического корпуса из эпоксидного пресс-материала, имеющего относительно высокую диэлектрическую проницаемость.

Диаграммы направленности широкополосных спиральных антенн с полусферическим диэлектрическим корпусом с переменной толщиной стенки из эпоксидного пресс-материала соответствуют техническим требованиям изделия.

Остальные параметры антенн (КУ; КЭ; КСВН) также удовлетворяли техническим требованиям на эти антенны.

По способу изготовления заявляемого антенного элемента наиболее близким по достигаемому техническому результату является способ изготовления размеростабильного изделия (патент Н 01 Q 15/16 (11) RU 02230406 C2, опубликован 10.06.2004 г.), заключающийся в изготовлении изделия за один цикл термокомпенсационным методом в комбинации с вакуумным формованием. Недостатком данного способа является использование композиционных материалов, имеющих способность поглощать электромагнитные волны, и большая трудоемкость.

Целью изобретения является повышение технологичности и идентичности изготовления антенных элементов.

Указанная цель достигается тем, что антенные элементы изготавливаются методом литьевого прессования (с последующей термообработкой) на пресс-форме, геометрические параметры рабочей поверхности которой повторяют с требуемой точностью наружный и внутренний диаметральные параметры антенного элемента, а углубленный рисунок, в котором размещается спиральный излучатель антенны, сформирован механическим путем.

Для изготовления корпуса антенны из эпоксидного пресс-материала была спроектирована и изготовлена пресс-форма, позволяющая изготавливать детали методом литьевого прессования. Пресс-форма имеет один центральный литник, который представляет собой усеченный конус с ⊘ 4 мм у вершины и углом конуса 8-10°. Впускной литник расположен в центре полусферы, что позволило обеспечить равномерное заполнение разогретого материала. Для удаления воздуха и газов, выделяющихся из полимера, в пресс-форме предусмотрены «выпоры», которые расположены на стороне, противоположной впускному литнику. Толщина выпорного отверстия 0,1-0,15 при ширине 4-5 мм.

Навеска пресс-материала засыпается в литниковую камеру.

Режимы прессования:

Температура прессования, °С	- 140-150
Удельное давление, МПа	- 25-30
Выдержка под давлением
на 1 мм толщины детали, мин	- 1,5-2
Термообработка, °С	- 160
Время, ч	- 8

Корпуса были изготовлены с точностью 12 квалитета. Наружный и внутренний диаметральные размеры полусферических корпусов обеспечиваются пресс-формой. На внешней поверхности корпуса сформирован механическим путем углубленный рисунок, в котором размещается спиральный излучатель антенны.

С целью определения устойчивости антенн к воздействию климатических и механических факторов были собраны антенные блоки и проведены типовые испытания:

1. Проверка радиотехнических характеристик антенн в нормальных условиях на соответствие ТУ на изделие.

2. Испытание на воздействие циклического изменения температур от -60°С до + 85°С, всего 3 цикла.

3. Испытание на воздействие пониженной температуры среды при -60°С - 2 часа.

4. Испытание на воздействие повышенной температуры среды:

а) при +85°С - 2,5 часа; при +140°С - 3 мин;

б) при +85°С - 1,0 час; при +100°С - 10 мин.

5. Испытание на прочность при воздействии случайной широкополосной вибрации.

6. Испытание на прочность при воздействии ударов одиночного действия.

7. Испытание на прочность при воздействии ударов многократного действия.

Вид типовых испытаний и проверка КСВН (коэффициент стоячей волны по напряжению) широкополосных спиральных антенн, навитых на заявляемый антенный элемент (полусферический диэлектрический корпус с переменной толщиной стенки из эпоксидного пресс-материала) приведены в таблице 2.

Таблица 2.
Наименование вида испытаний	Параметр проверки антенн КСВН
Проверка антенн в нормальных условиях	1,8; 2,0
Холодоустойчивость при -60°С - 2 ч	1,8; 2,0
Циклическое изменение температур при -60°С - + 85°С - 3 цикла	1,7; 2,15
На теплоустойчивость при температурах: +85°С - 2 часа; +140°С - 3 мин	1,7; 2,06
ШСВ при X, Y, Z (прочность при воздействии случайной широкополосной вибрации)	1,64; 2,2
Испытания на удар	1,7; 2,2
Проверка антенн после испытаний	1,7; 2,2

Таким образом, как это подтверждается результатами экспериментов, была решена поставленная задача и достигнут требуемый технический результат. Применение заявляемого антенного элемента - полусферического диэлектрического корпуса с переменной толщиной стенки из эпоксидного пресса-материала для широкополосной спиральной антенны - позволило увеличить ее частотную широкополосность, а также обеспечить работоспособность при воздействии вибрационных нагрузок в интервале температур -60°С-+140°С наряду с повышением технологичности и идентичности изготовления антенных элементов.

1. Антенный элемент, представляющий собой полусферический профилированный диэлектрический корпус для навивки спирального излучателя широкополосной антенны, отличающийся тем, что выполнен с уменьшением толщины стенки корпуса от основания к его вершине.

2. Антенный элемент по п.1, отличающийся тем, что выполнен из эпоксидного пресс-материала.

3. Способ изготовления антенного элемента методом литьевого прессования с последующей термообработкой, отличающийся тем, что прессование корпуса антенного элемента производят на пресс-форме, геометрические параметры рабочей поверхности которой повторяют с требуемой точностью наружный и внутренний диаметральные параметры корпуса антенного элемента, а углубленный рисунок, в котором размещается спиральный излучатель антенны, сформирован механическим путем.