Антенная решетка из цилиндрических спиралей

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ИЗ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СПИРАЛЕЙ(71) Заявитель Гомельский государственный университет им. Ф. Скорины(73) Патентообладатель Гомельский государственный университет им. Ф.Скорины(57) 1. Антенная решетка из цилиндрических спиралей, содержащая группу по крайней мере из двух располагаемых рядом друг с другом одновходовых спиральных антенн, которые содержат активные цилиндрические спирали с противоположной намоткой витков из проводника и идентичными углом намотки, не меньшим 14 градусов, количеством витков, равным по меньшей мере трем, диаметром спиралей равным 0,31 рабочей длины волны, причем спирали одинаковым образом расположены относительно плоской поверхности, отражающей волновое излучение с рабочей длиной волны, и установлены так, что их оси перпендикулярны отражающей поверхности, а один конец каждой спирали, расположенный ближе к отражающей поверхности,связан со входом питания, отличающаяся тем, что дополнительно содержит такое количество указанных спиральных антенн и они размещены в одной плоскости, параллельной отражающей поверхности, и относительно друг друга так, что их спирали образуют правильный многоугольник с четным числом сторон, не большим восьми, и одной спиралью в каждой вершине многоугольника, причем направления намотки витков спиралей двух соседних вершин многоугольника противоположны, а сторона многоугольника равна не менее одной и не более 2,2 рабочей длины волны. 2. Антенная решетка по п. 1, отличающаяся тем, что отражающей поверхностью является плоская поверхность одного или нескольких металлических экранов, при этом отражающие поверхности нескольких экранов находятся в одной плоскости, а отражающая поверхность соответствующего экрана находится под одной или несколькими спиралями. Фиг. 1 3. Антенная решетка по одному из пп. 1, 2, отличающаяся тем, что каждая спираль содержит число витков не меньше двух и имеет диаметр не меньший 0,25 и не больший 0,35 рабочей длины волны.(56) Ротхаммель К. Антенны / Сокращенный перевод с немецкого Т.Э. Кренкель / Массовая радиобиблиотека. Вып. 637. - М. Энергия, 1967. - С. 222-225.1001240 А, 1965. Изобретение относится к антенной технике, а конкретно к спиральным антеннам и антенным решеткам линейно-поляризованного излучения, построенным из спиральных антенн и предназначенным для фазового поворота плоскости поляризации, и может быть использовано в качестве безинерционных измерительных антенн для измерения характеристик в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн, в частности, для исследования радиоизлучений в астрофизике, при исследованиях атмосферы или поверхности земли путем радиозондирования в названных диапазонах длин волн, а также в качестве приемной антенны спутникового телевидения. Известна антенная решетка из цилиндрических спиралей, содержащая пару активных цилиндрических спиралей из проводника, направления намотки которых одинаковы, а другие параметры идентичны, и пару активных цилиндрических спиралей из проводника, направления намотки которых противоположны, а другие параметры идентичны, причем каждая активная спираль расположена своей осью перпендикулярно отражающему экрану и имеет вход питания со стороны экрана 1. Известная решетка выполнена в виде двух соосных противоположно намотанных двухзаходных активных цилиндрических спиралей, расположенных над металлическим экраном, и является антенной линейной поляризации излучения. Однако указанное расположение активных цилиндрических спиралей в антенной решетке не может обеспечить стабильное значение коэффициента эллиптичности и коэффициента бегущей волны при фазовом повороте плоскости поляризации. При этом известная решетка не может обеспечить однородное расположение плоскости поляризации излучения при конкретных значениях разности фаз управления для различных углов наблюдения. В силу указанных причин известная антенная решетка не может обеспечить достоверное фазовое управление плоскостью поляризации излучения. Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности является антенная решетка из цилиндрических спиралей, содержащая группу по крайней мере из двух располагаемых рядом друг с другом одноходовых спиральных антенн, которые содержат активные цилиндрические спирали с противоположной намоткой витков из проводника и идентичными углом намотки, не меньшим 14 градусов, количеством витков, равным по меньшей мере трем, диаметром спиралей, равным 0,31 рабочей длины волны, причем спирали одинаковым образом расположены относительно плоской поверхности, отражающей волновое излучение с рабочей длиной волны, и установлены так, что их оси перпендикулярны отражающей поверхности, а ближайшие к ней концы связаны со входами питания 2. Известная антенная решетка из цилиндрических спиралей является антенной решеткой линейнополяризованного излучения. Однако известная антенная решетка не может обеспечить однородную ориентацию плоскости поляризации излучения при конкретных значениях разности фаз управления поворотом плоскости поляризации для различных углов наблюдения. В силу этого известная решетка не обеспечивает достоверное фазовые управления и местностью поляризации излучения. Это приводит и к снижению точности и достоверности антенных измерений. Кроме того, известная решетка имеет недостаточный коэффициент усиления. Заявляемое техническое решение обеспечивает создание антенной решетки из цилиндрических спиралей,обеспечивающей возможность формирования линейно-поляризованного излучения при фазовом повороте плоскости поляризации. Основной технический результат изобретения заключается в повышении однородности ориентации плоскости поляризации излучения для различных узлов наблюдения. Дополнительный технический результат изобретения заключается в повышении точности и достоверности антенных измерений и в повышении коэффициента усиления. Достижения основного и дополнительного технических результатов обеспечиваются тем, что антенная решетка из цилиндрических спиралей, содержащая группу по крайней мере из двух располагаемых рядом друг с другом одновходовых спиральных антенн, которые содержат активные цилиндрические спирали с противоположной намоткой витков из проводника и идентичными углом намотки, не меньшим 14 градусов,количеством витков, равным по меньшей мере трем, диаметром спиралей, равным 0,31 рабочей длины волны, причем спирали одинаковым образом расположены относительно плоской поверхности, отражающей волновое излучение с рабочей длиной волны, и установлены так, что их оси перпендикулярны отражающей поверхности, а один конец каждой спирали, расположенный ближе к отражающей поверхности, связан со входом питания, дополнительно содержит такое количество указанных спиральных антенн и они размещены в одной плоскости, параллельной отражающей поверхности, и относительно друг друга так, что их спирали образуют правильный многоугольник с четным числом сторон, не большим восьми, и одной спиралью в каждой вершине многоугольника, причем направления намотки витков спиралей двух соседних вершин мно 2 4062 1 гоугольника противоположны, а сторона многоугольника равна не менее одной и не более 2,2 рабочей длины волны. Кроме того, отражающей поверхностью является плоская поверхность одного или нескольких металлических экранов, при этом отражающие поверхности нескольких экранов находятся в одной плоскости, а отражающая поверхность соответствующего экрана находится под одной или несколькими спиралями. Дополнительно этому каждая спираль содержит число витков не меньше двух и имеет диаметр не меньший 0,25 и не больший 0,35 рабочей длины волны. Согласно изобретению, предлагается антенная решетка из цилиндрических спиральных антенн с противоположной намоткой витков активных цилиндрических спиралей, которые размещены, чередуясь друг с другом, в вершинах правильного многоугольника с четным числом сторон квадрата (четырехугольника),шести-, восьмиугольника и т.д. При этом число активных спиралей должно быть четным, поскольку для формирования линейной поляризации необходимы две круговые - с противоположным направлением вращения. В предлагаемой антенной решетке цилиндрические спирали размещены фактически на равных расстояниях(равных стороне правильного многоугольника) по окружности, в которую вписан этот многоугольник. Исследования показали, что характер изменения входного импеданса 0, коэффициента эллиптичности,коэффициента усиления от фазы возбуждения в предлагаемой антенной решетке аналогичен изменению этих характеристик как у пары одиночных спиральных антенн. Поэтому требования к указанным числу витков, углу намотки, диаметру спиралей предопределяет свойства антенной решетки, аналогичные свойствам биспиральной антенны, и прежде всего обеспечение возможности получения линейно-поляризованного излучения при фазовом повороте плоскости поляризации. При выборе числа витков 2, угла намотки 14 и диаметра каждой спирали не меньше 0,25 и не больше 0,35 рабочей длины волны значение коэффициента эллиптичности не превышает 0,050,07 при повороте фазы от 0 до . При уменьшении расстояния между цилиндрическими спиралями с противоположной намоткой (стороны правильного многоугольника) до уровня менее рабочей длины волныусиливается взаимодействие между спиральными элементами, наблюдается асимметрия в сложении волн с круговой поляризацией в дальней зоне антенной решетки, что приводит к увеличению коэффициента эллиптичности более 0,07 для четырех-, шести- и восьмиугольного правильного многоугольника, а также к уменьшению коэффициента усиления до величины, меньшей чем у отдельной спирали. При увеличении расстояния между цилиндрическими спиралями с противоположной намоткой более 2,2 также наблюдается падение коэффициента усиления до уровня минимального, соответствующего коэффициенту усиления биспиральной антенны, а уровень разориентации направления плоскости поляризации возрастает до 10 для правильного четырех-, шести- и восьмиугольника. При размещении цилиндрических спиралей с вышеуказанными параметрами намотки и параметрами спиралей в вершинах правильного восьмиугольника возрастает уровень боковых лепестков в диаграмме направленности, который достигает при 2,2 примерно 3040 . Кроме того, установлено, что при размещении спиралей в вершинах правильного десяти-, двенадцати- и т.п. многоугольника на величину разориентации направления плоскости поляризации начинает сказываться масштабный фактор, обусловленный уменьшением влияния соседних цилиндрических элементов при сложении их полей в дальней зоне, при этом уровень разориентации начинает повышаться и превышает 10 . Для получения максимального коэффициента усиления целесообразно число витков идентичных спиралей выбирать равным не более 30, однако при этом следует учесть увеличение габаритов устройства. На фиг. 1 показана зависимость коэффициента усиления (КУ) от расстояниямежду осями цилиндрических спиралей и от числа витковдля шестиспиральной (сплошные кривые) и 4-спиральной (пунктирные кривые) антенных решеток (АР). Обращает на себя внимание, что при одинаковом числе витков в цилиндрических спиралях максимальные значения КУ соответствуют одному и тому же . При закономерности изменения КУ у 4- и 6-спиральных АР аналогичны. В табл. 1 приведены зависимости угла поляризациив градусах линейного сигнала (КЭ 0,07) от углов наблюденияив градусах для четырехспиральной АР, а в табл. 2 - для 6-спиральной АР. При этом для 4-спиральной АР (5,14,0,32,1,2) угол 0,5 по половинной мощности ДН составляет 12. Для шестиспиральной АР (5,14,0,3,1,2) 0,59. В табл. 3 приведена зависимость угла поляризации(в градусах) для биспиральной антенны из двух цилиндрических спиралей с противоположной намоткой при 5,14,0,3,1,2,0,535. Таблица 1 Из табл. 12 следует, что для заявляемой АР даже при двухкратном увеличении углапо половинной мощности ДН положение поляризациисохраняется с точностью не менее 10(1,5 ). Из сопоставления табл. 1-2 и 3 следует, что точность сохранения ориентации поляризации по уровню половинной мощности в заявляемой АР по сравнению с парой спиральных антенн (биспиральной антенной) возрастает в 50 раз. На фиг. 2 схематично изображена предлагаемая антенная решетка для СВЧ-диапазона длин волн. На фиг. 3 изображен вариант предлагаемой антенной решетки с дискретным выполнением экрана. Заявляемая антенная решетка (фиг. 2) состоит из одновходовых спиральных антенн, образованных активными цилиндрическими спиралями с правозаходными 1 и левозаходным 2 направлением намотки витков из проводника, причем активные цилиндрические спирали 1, 2 имеют идентичные углы намотки, количество витков намотки и диаметры спиралей. При этом число витков , угол намоткии диаметркаждой спирали 1, 2 удовлетворяют требованиям 2, 14, 0,250,35, гдерабочая длина волны антенной решетки. Активные цилиндрические спирали 1, 2 размещены в одной плоскости над плоским металлическим экраном 3, выполняющим функцию плоской отражающей поверхности, так, что их оси перпендикулярны отражающей поверхности экрана 3. Спирали 1, 2 чередуются и размещены на равном расстоянии друг от друга в вершинах правильного шестиугольника. Для обеспечения работы антенной решетки спирали 1 подключены параллельно к общему питающему фидеру 4, а спирали 2 подключены параллельно к общему питающему фидеру 5, подключение осуществляется с помощью коаксиальных разветвителей (на фигуре позициями не обозначены). При этом центральные проводники коаксиальных кабелей соединены с цилиндрическими спиралями 1, 2, а их оплетки - с металлическим экраном 3. Для устранения возможной расфазировки между парциальными полями от каждой спирали точки возбуждения всех активных цилиндрических спиралей (далее - ЦС) ориентированы в одном направлении. В цепи питающих фидеров 4, 5 включены управляемые фазовращатели 6, 7, подсоединенные к генератору 8 и управляемые с блока управления (на фигуре не показан). Заявляемая антенная решетка из шести ЦС работает следующим образом. На входы антенной решетки от генератора 8 подают сигналы равной амплитуды и с заданной равностью фаз, обеспечиваемой управляемыми фазовращателями 6, 7. При этом первая группа ЦС с одинаковой намоткой, например 1, возбуждается в фазе одинаковой, а вторая группа ЦС 2 возбуждается в другой одинаковой фазе. Вдоль проводников спиралей 1 устанавливаются бегущие волны токов, которые приводят к излучению полей круговой поляризации соответственно правого направления вращения плоскости поляризации. Вдоль проводников спиралей 2 также устанавливаются бегущие волны токов, которые приводят к излучению полей круговой поляризации соответственно левого направления вращения. В дальней зоне поля правого и левого направления вращения складываются, в результате чего образуется поле линейной поляризации с ориентацией большой оси эллипса,ориентированной в направлении /2, где- разность фаз между спиральными элементами 1 и 2. Ориентация плоскости поляризации излучаемого поля определяется сдвигом фазмежду источниками возбуждения на входах ЦС 1 и 2. Изменяем значение сдвига фаз нас помощью схемы управления. Это приводит к формированию в дальней зоне линейно-поляризованного излучения с ориентацией большой оси эллипса на/2. Таким образом, происходит поворот плоскости поляризации АР. Задавая последовательные значения фаз управления, можно получить линейно-поляризованное излучение либо настроить антенную решетку на прием излучения заданной ориентации плоскости поляризации. Благодаря размещению ЦС с чередованием намотки в вершинах правильного четного многоугольника со стороной, выбираемой согласно изобретению, каждая ЦС взаимодействует преимущественно с двумя соседними спиралями противоположной намотки. При этом все ЦС находятся в одинаковых условиях взаимодействия. Так, две любые ЦС, расположенные в вершинах квадрата, правильного шести- или восьмиугольника на противоположных сторонах многоугольника, излучают соответственно с правым и левым, с левым и правым направлением вращения плоскости поляризации. В силу этого любые две рядом сносно расположенные спирали можно рассматривать как биспиральные антенны. При этом любая ЦС является одновременно элементом двух биспиралей. 4062 1 Для получения максимального коэффициента усиления выбираются оптимальные расстояния между ЦС. При этом расстоянии излучения в осевом направлении от каждой ЦС суммируются в фазе, а в дальней зоне с учетом направления вращения плоскости поляризации и дополнительного сдвига фазпроисходит формирование линейной поляризации и определенной ее ориентации в пространстве/2. Для любой биспирали в дальней зоне в плоскости расположения например в направлении 0 для двух соседних ЦС, в неосевом направлении (0) их поля, соответственно левого и правого вращения суммируются с дополнительной разностью фаз 1,2, вызванной расстоянием между осями ЦС. Поэтому большая ось суммарного эллипса поля этих ЦС имеет ориентацию 1(1,2)/2. Для противоположной биспирали характерно противоположное направление дополнительной равности фаз 2,1. Т.е. для 0 и для 0 ориентация 2(-2,1)/2. В результате суммирования от противоположных биспиралей в дальней зоне дополнительные набеги фаз 1,2 и 2,1 уничтожаются для направления 0,0. Аналогичные рассуждения справедливы для двух рассматриваемых биспиралей и для ориентации, например,180,0, где возникают соответственно набеги фаз для первой биспирали (180,0) 1,2,ориентация 1(1,2)/2, а для второй биспирали (180,0) 2,1/2, а ориентация 2(-2,1)/2. Набеги фаз 1,2 и 2,1 также взаимно уничтожаются. Аналогичная компенсация наблюдается для любых других противоположных биспиралей. В результате чего наблюдается улучшение ориентации плоскости поляризации для заявляемой АР. При работе АР в качестве приемной антенны в антенной системе вместо генератора 8 используют измеритель. При этом также как и в вышеописанном варианте изменение плоскости поляризации с целью поиска источника радиоизлучения с совпадающей ориентацией плоскости поляризации используют управляемые фазовращатели 6 и 7. Аналогично работает 4- и 8-спиральная АР. Для обеспечения работы таких антенных решеток каждая группа идентичных активных цилиндрических спиралей с одинаковым направлением намотки подключается параллельно к соответствующему питающему фидеру фазовращателей системы управления АР правозаходние ЦС 1 подключаются, например, к падающему фидеру 4, а левозаходние ЦС 2 - к 5. Благодаря малому значению коэффициента эллиптичности (КЭ 0,07), высокому КУ (до 50), существенному уменьшению погрешности ориентации плоскости поляризации (до 1,5 ) и появляется реальная возможность использовать заявляемую антенну для точных измерений поляризованных характеристик радиоизлучения в астрофизике, а также использовать ее при исследовании атмосферы или поля излучения земли в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн. Для работы в дециметровом и метровом диапазонах длин волн необходимо уменьшить прежде всего весогабаритные характеристики АР. В варианте, изображенном на фиг. 3, для этих целей используется плоская отражающая поверхность нескольких металлических экранов. При этом отражающие поверхности нескольких экранов 9 находятся в одной плоскости, а отражающая поверхность соответствующего экрана находится под одной или несколькими спиралями, т.е. над каждым из экранов установлена одна (1 или 2) либо две (1 и 2) и более ЦС. При этом все экраны размещают таким образом, чтобы ЦС оказались в вершинах мнимого правильного многоугольника (в изображенном случае четырехугольника), чередуясь направлением намотки и имеют параметры, аналогичные вышеизложенному варианту для СВЧ-диапазона. Экраны 9 могут быть установлены на тележках и снабжены геофизическими средствами для установки их отражающими поверхностями в одной плоскости. Это повышает удобство эксплуатации АР и ее монтажа. Такая АР может быть легко собрана на ровной местности и использована для астрофизических исследований или исследований атмосферы. Подвижная АР, установленная, например, на аэростате, может быть использована для исследования радиоизлучения земли в метровом, дециметровом сантиметровом диапазонах длин волн. Для зондирования атмосферы для поверхности земли могут быть использованы две АР, одна из которых работает на излучение, а вторая - на прием. Благодаря параллельному включению питания и простоте схемы управления (задания) угла поворота возможно использование циркуляторов, что обеспечивает возможность применения АР для зондирования. Заявляемая АР может быть использована также для связи с искусственными спутниками земли и другими летающими объектами. Уменьшение весогабаритных характеристик АР может быть достигнуто в метровом диапазоне длин волн при пользовании в качестве отражающей поверхности земной или водной поверхности с достаточной приводимостью. В этом случае для питания АР могут быть использованы двухпроводные линии (общую шину заземляют). Источники информации 1.А.Т.,,,.,//.., 1974, 22,2. - . 173-178. 2. Ротхаммель К., Антенны Сокращенный перевод с немецкого Т.Э. Кренкель // Массовая радиобиблиотека. Вып. 637 - М. Энергия, 1967. - С. 222-225 (прототип). Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.