Турникетная малогабаритная антенна на полусфере

Изобретение относится к области антенной техники и, в частности, к турникетным антеннам, и может быть использовано в качестве приемной (передающей) антенны, когда требуется круговая поляризация. Антенна сконструирована так, что ортогональные вибраторы располагаются на каркасе в виде тонкостенной диэлектрической полусферы, установленной на экране. Антенна согласуется с помощью подбора радиуса полусферы и положения щели, прорезанной в каждом из плеч вибраторов. Диаграмма направленности вибратора имеет одинаковую ширину по половинной мощности в Е и Н-плоскостях. Технический результат заключается в обеспечении круговой поляризации с коэффициентом эллиптичности более 0,85 в телесном угле 100 градусов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области антенной техники, к турникетным антеннам, в частности, и может быть использовано в качестве приемной/передающей антенны с круговой поляризацией в УКВ-диапазоне на низкоорбитальных космических аппаратах.

Известна турникетная антенна [1], которая состоит из двух взаимноперпендикулярных вибраторов, установленных над металлическим экраном и наклоненных к нему под углом. Изобретение направлено на создание широкополосной антенны, но не рассматривает вопроса обеспечения круговой поляризации в рабочем секторе углов диаграммы направленности вибратора. Кроме того, известная антенна имеет большой вертикальный размер.

Известна турникетная антенна [2], наиболее близкая по своей технической сущности и числу существенных признаков к патентуемому изобретению и принятая за прототип. Турникетная антенна [2] состоит из двух взаимно перпендикулярных вибраторов, установленных над металлическим экраном и наклоненных к нему под углом 50 градусов. Плечи каждого полуволнового вибратора подключены к входу антенны с помощью коаксиального кабеля и симметрирующего устройства. Квадратурный мост, соединенный с коаксиальным кабелем, обеспечивает возбуждение вибраторов токами, равными по амплитуде и сдвинутыми по фазе на 90 градусов. Недостатком прототипа является тот факт, что поляризация поля излучения оказывается круговой только в осевом направлении, и антенна имеет большие размеры.

Патентуемое изобретение - турникетная малогабаритная антенна на полусфере решает задачу создания компактной антенны с минимальной электрической высотой и улучшенными поляризационными характеристиками.

Технический результат - патентуемое изобретение обеспечивает создание турникетной антенны с минимальной электрической высотой и коэффициентом эллиптичности более 0,85 во всем секторе углов диаграммы направленности по половинной мощности.

Сущность патентуемого изобретения поясняется описанием варианта его реализации и чертежами, на которых представлены:

Фиг. 1. Малогабаритная турникетная антенна на полусфере.

Фиг. 2. Эскиз малогабаритной турникетной антенны - условное сечение.

Фиг. 3. График зависимости величины КСВ от частоты

Фиг. 4. Диаграммы направленности в Е и Н-плоскостях.

На фиг. 1÷4 введены следующие обозначения:

1 - тонкостенная диэлектрическая полусфера, 2 - экран, 3 - вибратор, 4 - плечо, 5 - узкая щель в плече, 6 - симметрирующее устройство, 7 - коаксиальный кабель, 8 - квадратурный мост.

Патентуемое изобретение - турникетная малогабаритная антенна на полусфере, как показано на фиг. 1, фиг. 2, содержит два взаимноперпендикулярных вибратора 3, каждый состоит из двух плеч 4, пустотелую диэлектрическую опорную полусферу 1, металлический экран 2, симметрирующее устройство 6, коаксиальный кабель 7 и квадратурный мост 8.

Пустотелую диэлектрическую полусферу 1 радиусом R и толщиной диэлектрика Δ устанавливают на плоский металлический экран 2 диаметром d.

Плечи 4 вибраторов 3 в виде металлических полос укладывают на поверхность пустотелой диэлектрической опорной полусферы 1 от ее вершины до плоского металлического экрана 2, где полосы электрически соединяют с экраном 2. Металлическую полосу каждого плеча 4 ограничивают на поверхности пустотелой диэлектрической опорной полусферы 1 двумя кривыми линиями. Эти линии являются проекциями архимедовых спиралей, сформированных в плоскости металлического экрана 2 относительно его центра, на поверхность пустотелой диэлектрической полусферы 1. Архимедовы спирали задают в полярной системе координат (ρ,ϕ) формулой ρ(ϕ)=kϕ для одного края металлической полосы плеча 4 вибратора 3 и формулой ρ(ϕ)=k(ϕ+ϕ₀) для второго края полосы плеча 4 вибратора 3, где k, ϕ₀ - задаваемые параметры. Плечи 4 каждого вибратора 3 развернуты по отношению к друг другу на 180 градусов. Вибраторы 3 развернуты относительно друг друга на 90 градусов. В металлической полосе каждого плеча 4 прорезают узкую щель 5 шириной 1 на высоте h над металлическим экраном 2.

Вибраторы 3 возбуждают токами одинаковыми по амплитуде и сдвинутыми по фазе на 90 градусов. Такие токи формируют с помощью квадратурного моста 8, размещенного под металлическим экраном 2. На фиг. 2 изображено подсоединение одного из вибраторов к квадратурному мосту 8. Симметрирующее устройство 6 в виде параллельных трубок закрепляют на экране. По одной из полых трубок симметрирующего устройства 6 пропускают коаксиальный кабель 7, которым соединяют вибратор 3 с квадратурным мостом 8.

Подбором радиуса R пустотелой диэлектрической опорной полусферы 1 и высоты h над плоским металлическим экраном 2 щелей 5 обеспечивают согласование патентуемой антенны без использования традиционных согласующих устройств - трансформатора и шлейфа, которые в предлагаемой малогабаритной конструкции просто негде разместить.

Актуальными являются антенны с входным сопротивлением 50 Ом. Для этого случая расчетным путем были подобраны параметры, обеспечивающие высокий уровень согласования патентуемой антенны и высокий коэффициент эллиптичности. Математическое моделирование проводилось при центральной рабочей частоте 465 МГц.

Получено, что оптимальные результаты достигают при следующих параметрах турникетной малогабаритной антенны на полусфере:

- радиус пустотелой диэлектрической опорной полусферы 1

R=96,5 мм (0,15λ);

- диаметр металлического экрана 2

d=425 мм (0,66λ.)

- высота щели над плоским металлическим экраном 2

h=60,5 мм (0.094λ);

- ширина щели

l=5 мм (0.008λ);

- толщина диэлектрика пустотелой диэлектрической опорной полусферы 1Δ=1 мм, (ε=6; tgδ=0.002).

- коэффициент k=8.5 мм/рад;

- .

Рассчитанные зависимости величины КСВ от частоты и диаграммы направленности в Е и Н - плоскостях приведены на фиг. 3, фиг. 4, из которых видно, что диаграммы направленности в Е и Н - плоскостях практически совпадают, а высокий уровень согласования (КСВ≤2,0) обеспечивается в широкой в полосе частот - 7,3% от центральной рабочей частоты. Высокий (более 0,85) коэффициент эллиптичности обеспечивается во всем секторе углов диаграммы направленности по половинной мощности.

Таким образом, благодаря новой совокупности существенных признаков, патентуемое изобретение обеспечило требуемый технический результат - получена турникетная малогабаритная антенна на полусфере с минимальной электрической высотой - 0.15λ над экраном (0.17λ, с учетом контейнера для моста под экраном), малыми поперечными размерами - 0,66λ и коэффициентом эллиптичности более 0,85 во всем секторе углов диаграммы направленности по половинной мощности.

Литература.

1. Патент RU 2236733 (20.09.2004), класс H01Q 21/26, Ионова С.П., Помазков А.П., Каламзина Е.В. Турникетная антенна.

2. Авторское свидетельство SU 1467632 (04.05.87), В.А. Ефимов, В.А. Кундышев, В.М. Мальцев, А.В. Нешков, Ю.Н. Тамуров. Турникетная антенна.

3. Г.Н. Кочержевский, Г.А. Ерохин, Н.Д. Козырев. Антенно-фидерные устройства, М.: Радио и связь, 1989 г., 351 с., разд. 7.3.

1. Турникетная малогабаритная антенна на полусфере, содержащая два вибратора с общим центром, расположенных друг к другу под прямым углом, питаемых со сдвигом фаз в 90 градусов, отличающаяся тем, что пустотелую диэлектрическую полусферу радиусом R и толщиной диэлектрика Δ устанавливают на плоский металлический экран диаметром d, плечи вибраторов в виде металлических полос укладывают на поверхность пустотелой диэлектрической полусферы от ее вершины до плоского металлического экрана, где полосы электрически соединяют с экраном, металлическую полосу каждого плеча вибратора ограничивают на поверхности пустотелой диэлектрической полусферы двумя кривыми линиями, эти линии образуют проекциями на поверхность пустотелой диэлектрической полусферы архимедовых спиралей, сформированных в плоскости металлического экрана относительно его центра, архимедовы спирали задают в полярной системе координат (ρ,ϕ) формулой ρ(ϕ)=kϕ для одного края металлической полосы плеча вибратора и формулой ρ(ϕ)=k(ϕ+ϕ₀) для второго края полосы плеча вибратора, где k, ϕ₀ - задаваемые параметры, плечи каждого вибратора развернуты по отношению друг к другу на 180 градусов, в металлической полосе каждого плеча прорезают узкую щель шириной l на высоте h над металлическим экраном.

2. Турникетная малогабаритная антенна на полусфере по п. 1, отличающаяся тем, что радиус пустотелой диэлектрической полусферы R, высоту щели над плоским металлическим экраном h, коэффициент k, ϕ₀ выбирают из условий: R=0,15λ, h=0.094λ, k=8,5 мм/рад, , λ - центральная длина волны рабочего диапазона волн.