Способ создания диаграммы направленности антенны и спиральная антенна для его осуществления

(12) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ СОЗДАНИЯ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННЫ И СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(71) Заявитель Гомельский государственный университет им. Ф.Скорины(73) Патентообладатель Гомельский государственный университет им. Ф.Скорины(57) 1. Способ создания диаграммы направленности антенны, включающий возбуждение активного спирального излучателя с эллиптической поляризацией излучения и пассивного спирального излучателя, перемещение пассивного спирального излучателя вдоль направления излучения активного спирального излучателя до формирования в дальней зоне требуемой диаграммы направленности, отличающийся тем, что в качестве пассивного спирального излучателя используют цилиндрическую спираль с направлением намотки, противоположным направлению намотки активного спирального излучателя, перемещение пассивного спирального излучателя осуществляют в пределах 3 от точки возбуждения активного спирального излучателя, где- рабочая длина волны возбуждения антенны. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве активного спирального излучателя используют цилиндрическую спираль, причем длины витков цилиндрических спиралей активного и пассивного излучателей выбирают из условия возбуждения в них волн, различающихся не более, чем на один порядок. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что выбирают длины витков цилиндрических спиралей активного и пассивного излучателей из условия возбуждения в них волн Т 1 и Т 2 соответственно, а пассивный спиральный излучатель перемещают возвратно-поступательно. Фиг. 1 4. Спиральная антенна с эллиптической поляризацией излучения, содержащая активный и пассивный спиральные излучатели, установленные с возможностью перемещения друг относительно друга вдоль их общей оси, отличающаяся тем, что введен отражающий экран, а в качестве активного и пассивного спиральных излучателей использованы цилиндрические спирали, длины витков которых выбраны из условия возбуждения в них волн, различающихся не 2466 1 более, чем на один порядок, причем активный и пассивный спиральные излучатели установлены над отражающим экраном. 5. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что длина витков активной и пассивной цилиндрических спиралей удовлетворяет соотношению(0,71,05),п 1,5,где , п - длины витков соответствено активной и пассивной спиралей- рабочая длина волны возбуждения антенны.(56) 1. А.с. СССР 358746, МКИ 04 3/00, 1972. 2. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов / Под ред. Проф. Д.И. Воскресенского. М. Сов. Радио, 1972.-С.239-242. 3. А.с. СССР 1246196, МКИ 04 11/08, 1986. 4. 3-, -83.-Р. 168-172, (прототип). Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в приемно-передающих устройствах метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов длин волн с эллиптической и круговой поляризацией излучения. Известен способ создания диаграммы направленности излучателя, включающий введение в ближайшее поле излучателя пассивного формирователя, облучение формирователя электромагнитной волной, благодаря чему в дальней зоне формируется требуемая диаграмма направленности . В качестве формирователя диаграммы направленности в способе используется голограмма, причем предметный пучок формируют путем выделения участков транспарантами, а в качестве опорного используют пучок излучателя. Указанные особенности обуславливают большую техническую сложность получения формирователя. Сам формирователь воспроизводит лишь диаграммы игольчатого типа, которые комплексно-сопряжены формировавшему их предметному пучку излучения. В виду особенностей голографического метода число возможных преобразований диаграммы направленности излучателя определяется числом формирователей, т.е. ограничено. Направление излучения задается формирователем и неизменно. Другими словами, известным способом нельзя получить несколько видов диаграммы направленности излучателя с помощью одного формирователя. Вышесказанное справедливо для диапазона СВЧ в виду сложности или невозможности регистрации голограмм в дециметровом и метровом диапазонах длин волн. Известный способ ограничен в применении в вышеуказанных областях длин волн. Необходимость применения когерентного излучения ограничивает также частотный диапазон антенн, созданных с помощью известного способа. Известен способ получения заданной диаграммы направленности спиральной антенны, при котором формируют бегущую волну тока вдоль цилиндрической спирали 2. В известном способе форма диаграммы направленности спиральной антенны задается конструктивными параметрами спиральной антенны, преимущественно длиной витка по отношению к рабочей длине волны в свободном пространстве. В силу этого для фиксированной длины волны, форма и другие параметры диаграммы направленности остаются неизменными. Требование стабильности диаграммы и других параметров,как правило, распространяется на весь рабочий диапазон спиральной антенны. В силу этого известный способ ограничен в применении, поскольку для узкого частотного диапазона не позволяет преобразовать задаваемый конструктивно вид диаграммы направленности в другой вид. При изменении местоположения объекта в пространстве это может привести к ухудшению приемо-передачи сигнала, нарушает радиосвязь или снижает эффективность радиопеленгации. Спиральная антенна для реализации способа состоит из металлического экрана и расположенной над ним металлической цилиндрической спирали, питаемой коаксиальной линией 2. Функциональные возможности и области применения такой антенны ограничены, поскольку параметры антенны, например, диаграмма направленности, не могут быть подстроены (изменены) в соответствии с изменившимся тактико-техническими задачами. Известные спиральные антенны, как правило, решают задачу сохранения диаграммы направленности антенны в данном частотном диапазоне, т.е. противоположную заявляемой. В частности, известна спиральная антенна, содержащая однозаходную спираль, установленную над экраном,коаксиальный волновод, внешний проводник которого соединен с экраном, а внутренний - с началом однозаходной цилиндрической спирали 3. Опорная диэлектрическая труба, на которую намотана спираль, имеющая изменяющую толщину, обеспечивает замедление и уменьшение интенсивности волны типа (ранга) 2 высокочастотной части рабочего диапазона, т.е. препятствует переходу режима излучения 1 режим Т 2 с изменением частоты. 2466 1 Способ получения диаграммы направленности такой спиральной антенны, заключающийся в возбуждении в спирали бегущей волны тока и преобразовании последней в электромагнитное излучение, совпадает со способом функционирования антенны 3. Конструктивные особенности указанной антенны и способа ее функционирования препятствуют перестройке (регулировке, подстройке) диаграммы направленности спиральной антенны. Наиболее близким к заявленному является способ создания диаграммы направленности антенны, заключающийся в том, что возбуждают активный спиральный излучатель с эллиптической поляризацией излучения и пассивный спиральный излучатель, перемещают пассивный спиральный излучатель вдоль направления излучения активного спирального излучателя до деформирования в дальнейшей зоне требуемой диаграммы направленности 4. Наиболее близкой к заявляемой является спиральная антенна с эллиптической поляризацией излучения,реализующая вышеуказанный способ и содержащая активный и пассивный спиральные излучатели, установленные с возможностью перемещения друг относительно друга вдоль их общей оси 4. В качестве активного излучателя с эллиптической поляризацией излучения в известных способе и антенне используют подключенную к фидеру плоскую спираль, а в качестве пассивной спирали - сужающуюся коническую спираль. Плоская спираль формирует электромагнитную волну с эллиптической поляризацией излучения, которая при облучении возбуждает коническую спираль, складываясь в дальней зоне, электромагнитные волны от плоской и конической спиралей формируют диаграмму направленности (ДН) антенны осевого вида. Изменением местоположения конической спирали относительно плоской, достигаемым перемещением, добиваются улучшения направленности активного излучателя (т.е. антенны а целом) за счет пассивной конической спирали, что выполняется лишь для верхних частот. Для более низких частот коническая спираль приводит к расширению ДН с сохранением ее осевого вида. Число возможных создаваемых при относительном перемещении конической спирали ДН несколько, а направление луча (максимума излучения) при этом неизменно. В силу этого, известный способ имеет ограниченные возможности в создании антенн путем формирования их ДН. Число построенных антенн по известному способу и реализующей его спиральной антенне с эллиптической поляризацией излучения ограничено несколькими фиксированными положениями пассивной конической спирали в ближней зоне активного излучателя. Заявляемыми способом и антенной решается задача построения максимального количества антенн с эллиптической поляризацией излучения путем перестройки ДН антенны расположением у активного излучателя пассивного элемента, в частности, задача создания антенны с перестраиваемым типом ДН. Основной технический результат заявляемого изобретения заключается в увеличении числа создаваемых антенн с эллиптической поляризацией излучения. Первый дополнительный технический результат изобретения заключается в возможности достижения в максимальной степени основного технического результата для антенн с ДН любого вида. Второй дополнительный технический результат изобретения заключается в возможности получения максимального числа созданных антенн за счет последовательной перестройки конического вида ДН в осевой и наоборот - из осевого в конический. Достижение основного технического результата обеспечивается тем, что в способе создания диаграммы направленности антенны, заключающемся в том, что возбуждают активный спиральный излучатель с эллиптической поляризацией излучения и пассивный спиральный излучатель, перемещают пассивный спиральный излучатель вдоль направления излучения активного спирального излучателя до формирования в дальней зоне требуемой диаграммы направленности, в качестве пассивного спирального излучателя используют цилиндрическую спираль с направлением намотки, противоположным направлению намотки активного спирального излучателя, а перемещение пассивного спирального излучателя осуществляют в пределах 3 от точки возбуждения активного спирального излучателя, где- рабочая длина волны возбуждения антенны. При этом в качестве активного спирального излучателя используют цилиндрическую спираль, причем длины витков цилиндрических спиралей активного и пассивного излучателей выбирают из условия возбуждения в них волн, различающихся не более, чем на один порядок. Кроме того, длины витков цилиндрических спиралей активного и пассивного излучателей возбуждают из условия возбуждения в них длин волн 1 и Т 2 соответственно, а пассивный спиральный излучатель перемещают возвратно-поступательно. Благодаря указанным отличиям, обеспечивается достижение соответственно первого и второго дополнительных результатов изобретения. Достижение основного и первого дополнительного результата обеспечивается с помощью устройства,реализующего способ - спиральной антенны, содержащей активный и пассивный спиральные излучатели,установленные с возможностью перемещения друг относительно друга вдоль их общей оси, и отличающейся тем, что она дополнительно содержит отражающий экран, а в качестве активного и пассивного спиральных излучателей использованы цилиндрические спирали, длины витков которых выбраны из условия возбуждения в них волн, различающихся не более, чем на один порядок, причем активный и пассивный излучатели 3 2466 1 установлены над металлическим экраном. Кроме того, длины витков активнойи пассивнойцилиндрических спиралей удовлетворяют соотношению(1)(0,71,05)1,5 , где- рабочая длина волны возбуждения антенны. Этим обеспечивается достижение основного и дополнительных результатов. Существо заявляемого способа заключается в следующем. Активный излучатель при возбуждении излучает эллиптически поляризованную электромагнитную волну и имеет в дальней зоне определенный вид ДН. При размещении на расстоянии не более 3 от точки возбуждения вдоль направления излучения активного излучателя пассивной цилиндрической спирали с направлением намотки, противоположном направлению намотки активного спирального излучателя, в пассивной спирали возбуждается бегущая волна тока, а затем волна излучения, тип (порядок) которой определяется конструктивными параметрами цилиндрической спирали. Результирующее поле от активного и пассивного излучателей в дальней зоне имеет вид, определяемый амплитудно-фазовым суммированием полей от волн, излучаемых активным спиральным излучателем и пассивной цилиндрической спиралью. При возбуждении спирального излучателя и пассивной цилиндрической спирали с противоположным направлением намотки витков в пассивной цилиндрической спирали могут возникать токи с составляющими,совпадающими по направлению вдоль оси спирали с соответствующими составляющими токов (поля) активного излучателя и не совпадающие по направлению в плоскости, перпендикулярной оси. Или наоборот, если в горизонтальной плоскости (перпендикулярной оси спирали) составляющие токов (и полей возбуждения) совпадают по направлению, то в вертикальной они противоположны по направлению. Благодаря этому, токи в одних направлениях создают поля совпадающие по фазе, а в других формируют поля в противофазе. При этом в дальней зоне наблюдаются эффекты усиления активного излучателя или углы места от цилиндрической спирали, независимо является ли она пассивной, либо запитывается активно. При возбуждении в активном излучателе волны порядка 1, а в пассивной цилиндрической спирали волны порядка Т 1, но при меньшей длине витка пассивной цилиндрической спирали, чем в активном цилиндрическом излучателе, выполненном в виде цилиндрической спирали, при помещении и перемещении пассивной цилиндрической спирали наблюдается сужение ДН и резкое возрастание коэффициента направленного действия в осевом направлении и, соответственно, коэффициента усиления. То, зная или задавая основной порядок волны возбуждения активного излучателя, можно подобрать пассивную цилиндрическую спираль, при размещении и перемещении которой на расстоянии до 3 от точки возбуждения, можно получить заданные виды ДН, т.е. создать тем самым новые спиральные антенны. Выбор только длины витка спирали в качестве критерия для задания типа бегущей волны тока (порядка волны возбуждения) в активной и пассивной спиралях недостаточен при преобразованиях ДН вида коническаяненаправленная-осевая и наоборот, поскольку при этом возможно возникновение паразитных лепестков, существенное изменение коэффициента усиления и коэффициента эллиптичности. При выборе длин витков спиралей не в соответствии с требованиями выражения (1) при значенияхменьших 0,7 наблюдается уменьшение коэффициента бегущей волны до уровня 0,3, а коэффициента эллиптичности до уровня 0,4, а при превышении значения 1,05 наблюдается падение коэффициента бегущей волны до уровня 0,2, а коэффициента эллиптичности до уровня 0,3. При выполнении условий (1) искажения создаваемых ДН незначительны, а при перестройке одного вида ДН в другой уровень боковых лепестков не превышает 1 . При использовании в заявляемой спиральной антенне в качестве активного излучателя цилиндрической спирали, а в качестве пассивного излучателя цилиндрической спирали с направлением намотки, совпадающим с направлением намотки активной цилиндрической спирали, при соблюдении вышеописанных принципов создания волн возбуждения возможно получение преобразования ДН осевая ненаправленная-коническая и аналогичных вышеописанным эффектов создания ДН антенны, однако число получаемых при этом антенн меньше, уменьшается коэффициент эллиптичности при малых углах места, возможность достижения максимальных углов места по сравнению с заявляемым способом, что обусловлено меньшей чувствительностью ДН к продольным перемещением на расстоянии до 3 в направлении излучения активной цилиндрической спирали. Заявляемый способ осуществляют следующим образом. По известным техническим характеристикам активного излучателя с эллиптической поляризацией излучения выбирают пассивную цилиндрическую спираль (ПЦС) с длиной витка, соответствующей заданному виду преобразования ДН (конический вид в конической, осевой в осевой, конический-ненаправленныйосевой и т.п.) и с направлением намотки витков противоположным направлению вращения плоскости поляризации активного излучателя. Устанавливают ПЦС в ближней зоне активного излучателя. Выбор ПЦС осуществляют, например, для средней рабочей длины волны рабочего диапазона ( ср.). Перемещают ПЦС в пределах (03 ) вдоль оси активного излучателя в заданную точку, соответствующую требуемой ДН, закрепляют ПЦС в положении соответствующем заданной ДН. При необходимости осуществляют регистрацию 4 2466 1 ДН при перемещении ПЦС, добиваясь требуемого вида ДН или заданных ее параметров. При преобразовании типа осевая-ненаправленная-коническая ДН с целью сканирования луча при излучении или приеме осуществляют возвратно-поступательные перемещения ПЦС при неподвижном активном излучателе на расстоянии (03)и обратно. В остальном способ осуществляют аналогично работе устройства для реализации способа. На фиг. 1 схематически изображена спиральная антенна для реализации способа. Спиральная антенна содержит активный излучатель с эллиптической поляризацией излучения, выполненный в виде цилиндрической однозаходной металлической спирали 1, соединенной с центральным проводником питающего фидера (кабеля) 2, и металлического экрана 3, соединенного с экранирующей оболочкой кабеля. Спиральная антенна содержит также пассивную однозаходную металлическую цилиндрическую спираль 4 (ПЦС) с противоположным спирали 1 направлением намотки витков, установленную соосно спирали 1 с возможностью перемещения в ближней зоне цилиндрической спирали 1. Радиопрозрачные держатель 5 и штанга б обеспечивают соосное расположение и перемещение ПЦС 4 относительно спирали 1 и металлического экрана 3. Спиральная антенна снабжена также средствами для жесткого закрепления штанги 6 относительно экрана 3 (на фигуре не показаны). Конец штанги 6 может быть подсоединен к механизму возвратно-поступательного перемещения (на фигуре не показан). ДН спиральной антенны и ее характеристики могут быть измерены и зарегистрированы с помощью стандартной аппаратуры, состоящей, например, из устройства перемещения (вращения по всем направлениям) испытуемой антенны, генератора, эталонного излучателя, амплизафазометра регистрирующей аппаратуры, устройства обработки данных, устройства контроля за процессом измерения (на фигуре не показаны). Спиральная антенна работает следующим образом. Устанавливают пассивную цилиндрическую спираль 4 на заданном (расчетном) расстоянии от точки возбуждения активной ЦС 1, фиксируют положение ПЦС 4. Запитывают активную цилиндрическую спираль 1 (ЦС 1) через фидер 2, возбуждая в ней бегущую волну токов заданного порядка. Бегущая волна токов излучает электромагнитную волну того же порядка с эллиптической поляризацией с направлением вращения вектора Е, определяемым направлением намотки ЦС 1, облучают данной волной ПЦС 4, возбуждая в последней бегущую волну тока, заданного порядка, распространяющуюся от ближнего к ЦС 1 конца ПЦС 4 к удаленному концу,которая излучает электромагнитную волну того же порядка с эллиптической поляризацией с направлением вращения вектора Е, определяемым ПЦС 4. Электромагнитные волны от ЦС 1 и от ПЦС 4, складываясь в дальней зоне, формируют диаграмму направленности спиральной антенны. Результирующее поле от ЦС 1 и ПЦС 4 в дальней зоне имеет вид, определяемый амплитудно-фазовым суммированием полей от токов в этих спиралях. Направления осевой и ей ортогональных составляющих токов в витках ПЦС 4 зависят от месторасположения ПЦС 4 и ЦС 1, а разность фаз составляющих токов - от расстояния соответствующего витка ПЦС 4 от ЦС 1. При совпадении по фазе, например, осевых составляющих токов в ЦС 1 и ПЦС 4, составляющие электромагнитных волн, складываясь в дальней зоне, будут усиливать суммарную волну в этом (осевом) направлении, а ортогональные им, оси составляющие токов, не совпадающие по фазе, складываясь в дальней зоне, будут ослаблять ее. Зарегистрировав ДН антенны, определяют соответствует ли ДН расчетной. При несоответствии расчетной и фактической ДН антенны перемещают ПЦС 4 вдоль оси ЦС 1, при этом изменяется разность фаз между ортогональными оси и осевыми составляющими токов, а значит, и волн излучения обеих спиралей, соответственно изменяется и ДН. Процесс подстройки ДН прекращают при достижении требуемой ДН. При известности экспериментальных расстояний для получения требуемой ДН операции измерения ДН опускаются. Оптимальными для использования в качестве формирователей ДН спиральных антенн сантиметрового, дециметрового и метрового диапазонов являются ПЦС с числом витков 2-5, углом намотки 1-15. Такие формирователи используют при экспериментальном создании требуемых ДН антенн путем подбора ПЦС. Аналогично вышеописанному работает спиральная антенна с ПЦС 4, имеющую одинаковые направления намотки витков с ЦС 1. Пример 1 реализация заявляемого способа. Создавали антенну с эллиптической поляризацией и с конической (воронкообразной) формой ДН. В качестве активного излучателя использовали однозаходную цилиндрическую спираль с длиной витка 2 , углом намотки 2, числом витков 3. Измеренная ДН данного излучателя имела конический вид с углами места 50. Устанавливали соосно цилиндрической спирали на расстоянии 0,34 от ее точки возбуждения (0,13 от ее конца) пассивную цилиндрическую спираль с параметрами длина витка 3 , угол намотки 1, число витков 3,направление намотки противоположно активной ЦС. Возбуждали цилиндрическую спираль, облучали электромагнитной волной возбуждения ПЦС, возбуждая волну типа (порядка) Т 3, формировали в дальней зоне ДН конического вида с углами места 40. Переместили ПЦС в точку на расстоянии 0,43 от точки возбуждения(0,22 от цилиндрической спирали). Получили ДН конического вида с углами места 30. Широкополостность антенны составила 9 , рабочая длина волны 7 см. Пример 2 реализации заявляемого способа. 2466 1 Активная цилиндрическая спираль имела параметры длина витка 1 , угол намотки 2,5, число витков 5. Пассивная цилиндрическая спираль направление намотки витков - противоположное, длина витка 0,7 , угол намотки 15, число витков 7. При возбуждении в активной цилиндрической спирали волны порядка 1 она имела диаграмму направленности осевого типа с шириной ДН 60 и коэффициентом усиления 12. После размещения в ближней зоне активной ЦС ПЦС и перемещении ее на расстояние 0,25 от точки возбуждения (0,02 от конца цилиндрической спирали) ширина требуемой ДН составила 25, коэффициент усиления 30, широкополостность 1. При этом в ПЦС возбуждалась волна порядка Т 1 рабочая длина волны возбуждения 5 дм. Пример 3 реализации заявляемого способа. Параметры активной ЦС длина витка 1 , угол намотки 6, число витков 3. Параметры пассивной ЦС направление намотки витков - противоположное, длина 2 , угол намотки 2,число витков 3. ПЦС помещали на расстояние 0,79 от точки возбуждения (0,49 от активной ЦС). Возбуждали в активной ЦС волну порядка 1,облучали этой электромагнитной волной ПЦС, возбуждая в ней волну порядка Т 2. Последовательно перемещали ПЦС по направлению к активной ЦС до расстояния 0,49 от точки возбуждения (0,19 от конца активной ЦС). Экспериментально зарегистрированные ДП полученных антенн представлены на фиг. 2. Кривая 1 соответствует расстоянию 0,49 от активной ЦС (0,79 от точки возбуждения), кривая 2 - 0,39(0,60), кривая 3 - 0,29(0,59), кривая 4 - 0,19(0,49). Как видно на фиг. 2, по мере приближения к активной ЦС произошло преобразование ДН конического вида (кривые 1,2) в ненаправленный - кривая 3 и в осевой вид- кривая 4. При обратном перемещении ПЦС от активной ЦС в точку 0,49 от активной ЦС наблюдались последовательные преобразования ДН из осевого в ненаправленный и снова в конический вид. Кривые 1 - 4 совпали при этом с соответствующими кривыми 1 - 4 и поэтому на фигуре 2 не показаны. Длина волны 1 м. На фиг. 3 приведена зависимость коэффициента эллиптичности в направлении максимального излучения от расстояния ПЦС до активной ЦС. На фиг. 4 - зависимость коэффициента усиления антенн по примеру 3 от расстояния ПЦС до активной ЦС(при этом КБВ не менее 0,5). Как следует из примера 3, при придании возвратно-поступательного перемещения по оси спирали наблюдается сканирование луча за счет непрерывного преобразования ДН системы активный излучатель ПЦС из конического вида в ненаправленный и осевой и наоборот. Аналогично можно получить сканирование луча в системе активный излучатель - ПЦС, согласно примеру 1, однако преобразование вида ДН при этом не происходит, а сканирование осуществляется за счет изменения углов места в ДН конического вида. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.