RU2400879C1 - Double-channel duel-band quadrifilar antenna - Google Patents
Double-channel duel-band quadrifilar antenna Download PDFInfo
- Publication number
- RU2400879C1 RU2400879C1 RU2009137623/07A RU2009137623A RU2400879C1 RU 2400879 C1 RU2400879 C1 RU 2400879C1 RU 2009137623/07 A RU2009137623/07 A RU 2009137623/07A RU 2009137623 A RU2009137623 A RU 2009137623A RU 2400879 C1 RU2400879 C1 RU 2400879C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- conductors
- spiral
- emitters
- radiating
- circuits
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве антенны приемного устройства спутниковой навигации.The invention relates to antenna technology and can be used as an antenna of a receiving device for satellite navigation.
Спиральные антенны широко используются в различных радиоэлектронных системах, в том числе и в системах навигации. К числу их достоинств относятся простота конструкции, относительно малые габариты и при этом односторонняя направленность излучения. Хорошо известны антенны на основе однозаходной спирали (Kraus J.D. "A 50-Ohm Input Impedance for Helical Beam Antennas" IEEE AP. V. AP-25. №6. P.913). Недостатками таких антенн являются их большие габариты, обусловленные тем, что для удовлетворительной работы антенны необходимо большое количество витков для формирования волны, бегущей вдоль спирали.Spiral antennas are widely used in various electronic systems, including navigation systems. Their advantages include simplicity of design, relatively small dimensions and, at the same time, one-sided directivity of radiation. Antennas based on a single helix are well known (Kraus J.D. "A 50-Ohm Input Impedance for Helical Beam Antennas" IEEE AP. V. AP-25. No. 6. P.913). The disadvantages of such antennas are their large dimensions, due to the fact that for the satisfactory operation of the antenna requires a large number of turns for the formation of a wave running along the spiral.
Многозаходные спирали, чаще всего двух- и четырехзаходные, могут иметь существенно меньшие габариты, поскольку они могут функционировать как резонансные антенны. Резонанс в антенне имеет место, когда длина проводников кратна четверти длины волны в свободном пространстве. Наибольшее распространение получили антенны с четверть- и полуволновыми плечами. Наименьшие габариты имеют четвертьволновые двух- и четырехзаходные спиральные антенны.Multiple-helixes, most often two- and four-way, can have significantly smaller dimensions, since they can function as resonant antennas. Resonance in the antenna occurs when the length of the conductors is a multiple of a quarter of the wavelength in free space. The most widespread are antennas with quarter- and half-wave shoulders. The smallest dimensions are quarter-wave two- and four-way helical antennas.
Предлагаемое техническое решение относится к четырехзаходным спиральным антеннам, которые также называют квадрифилярными антеннами. Достоинством таких антенн является возможность реализации в достаточно широком диапазоне частот направленного излучения круговой поляризации. В антенной технике полной характеристикой направленности излучения служит диаграмма направленности. Более простой характеристикой, принятой для описания антенн малых электрических размеров, является отношение интенсивности излучения вперед к интенсивности излучения назад (ОИВН). Этот параметр часто используется для описания многозаходных спиральных антенн, которые имеют максимум излучения вдоль оси спирали в одном направлении и минимум вдоль той же оси, но в противоположном направлении.The proposed solution relates to four-way helical antennas, which are also called quadrifilar antennas. The advantage of such antennas is the possibility of realizing circularly polarized radiation in a fairly wide frequency range. In antenna technology, the radiation pattern is a complete radiation pattern. A simpler characteristic adopted for the description of antennas of small electrical dimensions is the ratio of the radiation intensity forward to the radiation intensity back (OIVN). This parameter is often used to describe multiple helix antennas that have a maximum radiation along the axis of the spiral in one direction and a minimum along the same axis, but in the opposite direction.
Квадрифилярные антенны отличаются разными схемами питания, существенно влияющими на их функционирование. Известна квадрифилярная антенна с одним элементом питания (патент США, №5170176, 1992). Недостатком такого технического решения является противоречие между требованиями к эллиптичности излучения и требованием согласования антенны. Эллиптичность антенны с круговой поляризацией характеризуется коэффициентом эллиптичности (КЭ), который в идеальном случае равен единице. В антенне с одним элементом питания невозможно одновременно обеспечить идеальное согласование и КЭ, равный единице. Поэтому обычно одним из важных параметров приходится поступаться. Кроме того, такая антенна имеет относительно узкую полосу рабочих частот.Quadrifilar antennas differ in different power circuits, significantly affecting their functioning. Known quadrifilar antenna with one battery (US patent, No. 5170176, 1992). The disadvantage of this technical solution is the contradiction between the requirements for radiation ellipticity and the requirement of matching the antenna. The ellipticity of a circularly polarized antenna is characterized by an ellipticity coefficient (FE), which is ideally equal to unity. In an antenna with one battery, it is impossible to simultaneously provide perfect matching and FE equal to one. Therefore, usually one of the important parameters has to be compromised. In addition, such an antenna has a relatively narrow band of operating frequencies.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой антенне является двухдиапазонная квадрифилярная антенна (патент США №4008479, 1977), содержащая схему питания и восемь спиральных излучателей, имеющих общую ось симметрии и расположенных со сдвигом 45 градусов друг относительно друга, объединенных в две группы из четырех одинаковых спиральных излучателей, сдвинутых друг относительно друга на 90 градусов, спиральные излучатели одной группы выполнены с длиной, отличной от длины спиральных излучателей другой группы.The closest technical solution to the claimed antenna is a dual-band quadrifilar antenna (US patent No. 4008479, 1977), containing a power circuit and eight helical emitters having a common axis of symmetry and located with a shift of 45 degrees relative to each other, combined in two groups of four identical spiral emitters shifted relative to each other by 90 degrees, the spiral emitters of one group are made with a length different from the length of the spiral emitters of the other group.
В этой антенне имеется схема питания и восемь спиральных излучателей, изогнутых по спиралям, имеющим общую ось. Отличаются они угловым сдвигом на 45 градусов друг относительно друга. Спиральные проводники объединены в две группы по четыре одинаковых проводника, сдвинутых друг относительно друга на 90 градусов. Спиральные проводники в разных группах имеют разную длину. Возбуждение спиральных излучателей осуществляется с помощью схемы питания, которая имеет один вход и четыре выхода. Схема питания формирует на своих выходах напряжения с одинаковой амплитудой и сдвигом фаз на ±90 градусов. Наличие сдвига фаз вместе со спиральной формой излучателей обеспечивает с одной стороны, круговую поляризацию излучаемого поля, а с другой - высокое значение ОИВН.This antenna has a power circuit and eight helical emitters, bent along spirals having a common axis. They differ in an angular shift of 45 degrees relative to each other. Spiral conductors are combined in two groups of four identical conductors, 90 degrees offset from each other. Spiral conductors in different groups have different lengths. The excitation of spiral emitters is carried out using a power circuit that has one input and four outputs. The power circuit generates voltages with the same amplitude and a phase shift of ± 90 degrees at its outputs. The presence of a phase shift together with the spiral shape of the emitters provides, on the one hand, the circular polarization of the emitted field, and on the other hand, a high value of the SIR.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, при использовании известной антенны, принятой за прототип, является крайне низкое входное сопротивление спиральных излучателей, составляющее единицы Ом. Согласование такого сопротивления с другими цепями, обычно рассчитанными на работу с нагрузками в 50 Ом, осуществляется с помощью специальных трансформаторов импеданса. Применение таких трансформаторов увеличивает габариты антенны, сужает ее полосу рабочих частот, повышает стоимость.For reasons that impede the achievement of the technical result indicated below, when using the known antenna adopted for the prototype, there is an extremely low input impedance of helical emitters, which is units of Ohms. Coordination of such resistance with other circuits, usually designed to work with loads of 50 Ohms, is carried out using special impedance transformers. The use of such transformers increases the dimensions of the antenna, narrows its frequency band, increases the cost.
К недостаткам данной антенны относится также то, что она является одновходовой (одноканальной) антенной, в которой при работе на прием сигналы разных частотных диапазонов выделяются на общем входе.The disadvantages of this antenna also include the fact that it is a single-input (single-channel) antenna, in which when working at the reception, signals of different frequency ranges are allocated at the common input.
Еще одним недостатком данной антенны является ее высокое аэродинамическое сопротивление, которое усложняет установку антенны в носовой части летательных аппаратов, которая имеет коническую форму. Установка цилиндрической антенны в этом месте либо увеличивает аэродинамическое сопротивление летательного аппарата, либо увеличивает объем, который занимает антенна.Another disadvantage of this antenna is its high aerodynamic drag, which complicates the installation of the antenna in the bow of the aircraft, which has a conical shape. The installation of a cylindrical antenna in this place either increases the aerodynamic drag of the aircraft, or increases the volume that the antenna occupies.
Предлагаемое техническое решение нацелено на получение технического результата, выражающегося в расширении полосы рабочих частот, разделении сигналов двух частотных диапазонов по разным входам и снижении аэродинамического сопротивления.The proposed technical solution is aimed at obtaining a technical result, which is expressed in expanding the working frequency band, separating the signals of two frequency ranges at different inputs and reducing aerodynamic drag.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что спиральные излучатели выполнены в виде конических спиральных излучателей, каждый из которых выполнен в виде отрезка линии передачи, содержащего основной и вспомогательный проводники, а также излучающего проводника, схема питания выполнена в виде двух квадратурных четырехканальных делителей мощности с одним входом и четырьмя выходами, выходы схемы питания содержат восемь центральных проводников и один общий проводник, основные проводники отрезков линий передачи соединены с одной стороны с центральными проводниками выходов схемы питания, а с другой стороны с излучающими проводниками, причем центральные проводники отрезков линий передачи различных групп спиральных излучателей соединены с центральными проводниками выходов различных квадратурных делителей мощности, вспомогательные проводники отрезков линий передачи соединены с общим проводником схемы питания, излучающие проводники спиральных излучателей сдвинуты друг относительно друга на 180 градусов и соединены друг с другом перемычками, а в излучающие проводники включены сосредоточенные резонансные контуры, причем резонансные частоты контуров, включенных в излучающие проводники спиральных излучателей одной группы, имеют одинаковые резонансные частоты, которые отличаются от резонансных частот контуров, включенных в излучающие проводники спиральных излучателей другой группы.The specified technical result during the implementation of the invention is achieved by the fact that the spiral emitters are made in the form of conical spiral emitters, each of which is made in the form of a segment of the transmission line containing the main and auxiliary conductors, as well as the radiating conductor, the power circuit is made in the form of two quadrature four-channel power dividers with one input and four outputs, the outputs of the power circuit contain eight central conductors and one common conductor, the main conductors of the line segments the transmission are connected on one side with the central conductors of the outputs of the power circuit, and on the other hand with radiating conductors, the central conductors of the segments of the transmission lines of various groups of spiral radiators connected to the central conductors of the outputs of various quadrature power dividers, the auxiliary conductors of the segments of the transmission lines are connected to a common conductor power circuits emitting the conductors of spiral radiators are shifted relative to each other by 180 degrees and connected to each other with bridges, and concentrated resonant circuits are included in the radiating conductors, and the resonant frequencies of the circuits included in the radiating conductors of the spiral radiators of one group have the same resonant frequencies, which differ from the resonant frequencies of the circuits included in the radiating conductors of the spiral radiators of another group.
Возможны дополнительные варианты выполнения двухканальной двухдиапазонной квадрифилярной антенны, в которых:There are additional options for performing a dual-channel dual-band quadrifilar antenna, in which:
- в антенну дополнительно введен диэлектрический конус, а спиральные излучатели расположены на поверхности указанного диэлектрического конуса;- a dielectric cone is additionally introduced into the antenna, and spiral radiators are located on the surface of the specified dielectric cone;
- отрезки линий передачи выполнены в виде отрезков коаксиальных линий;- segments of transmission lines are made in the form of segments of coaxial lines;
- отрезки линий передачи выполнены в виде отрезков двухпроводных полосковых линий, а излучающие проводники выполнены в виде полосковых проводников;- segments of transmission lines are made in the form of segments of two-wire strip lines, and radiating conductors are made in the form of strip conductors;
- резонансные контуры выполнены в виде параллельных контуров, причем резонансные частоты контуров, включенных в излучающие проводники спиральных излучателей с меньшей длиной меньше резонансных частот контуров, включенных в излучающие проводники спиральных излучателей с большей длиной;- the resonant circuits are made in the form of parallel loops, the resonant frequencies of the loops included in the radiating conductors of spiral radiators with a shorter length than the resonant frequencies of the loops included in the radiating conductors of spiral emitters with a longer length;
- резонансные контуры выполнены в виде последовательных контуров, причем резонансные частоты контуров, включенных в излучающие проводники спиральных излучателей с меньшей длиной больше резонансных частот контуров, включенных в излучающие проводники спиральных излучателей с меньшей длиной.- the resonant circuits are made in the form of sequential circuits, the resonant frequencies of the circuits included in the radiating conductors of spiral radiators with a shorter length than the resonant frequencies of the circuits included in the radiating conductors of spiral radiators with a shorter length.
Вариант выполнения двухканальной двухдиапазонной квадрифилярной антенны показан на фиг.1. Она состоит из схемы питания, которая имеет восемь выходов. Каждый выход имеет два проводника: общий проводник (2) и центральный проводник (1). В состав антенны входят восемь спиральных излучателей, изогнутых вдоль конической спирали. Излучатели расположены симметрично относительно оси симметрии антенны, которая одновременно совпадает с осью конуса реального или виртуального, на поверхности которого располагаются спиральные излучатели. Спиральные излучатели располагаются с угловым сдвигом в 45 градусов.An embodiment of a dual channel dual band quadrifilar antenna is shown in FIG. It consists of a power circuit that has eight outputs. Each output has two conductors: a common conductor (2) and a central conductor (1). The antenna consists of eight helical emitters, curved along a conical spiral. The emitters are located symmetrically with respect to the axis of symmetry of the antenna, which simultaneously coincides with the axis of the real or virtual cone, on the surface of which spiral emitters are located. Spiral emitters are located with an angular shift of 45 degrees.
Спиральные излучатели выполнены из двух частей. Одна из них - это отрезок (3) линии передачи, другая часть - это излучающий проводник (4). Отрезок (3) линии передачи содержит два проводника, которые условно можно назвать основным и вспомогательным. На фиг.1 показан вариант выполнения двухканальной, двухдиапазонной квадрифилярной антенны с отрезками (3) линий передачи в виде коаксиальных линий. В этом случае роль основного проводника отрезка (3) линии передачи играет центральный проводник коаксиальной линии, а роль вспомогательного проводника отрезка (3) линии передачи играет экран коаксиальной линии. Излучающий проводник (4) одним концом электрически соединен с основным проводником отрезка (3) линии передачи, а другим концом с перемычкой (9), соединяющей излучающие проводники (4) спиральных излучателей, сдвинутых на 180°.Spiral emitters are made of two parts. One of them is the segment (3) of the transmission line, the other part is the radiating conductor (4). The segment (3) of the transmission line contains two conductors, which can conditionally be called the main and auxiliary. Figure 1 shows an embodiment of a two-channel, dual-band quadrifilar antenna with segments (3) of transmission lines in the form of coaxial lines. In this case, the central conductor of the coaxial line plays the role of the main conductor of the transmission line segment (3), and the screen of the coaxial line plays the role of the auxiliary conductor of the transmission line segment (3). The radiating conductor (4) is electrically connected at one end to the main conductor of the transmission line segment (3), and at the other end with a jumper (9) connecting the radiating conductors (4) of the spiral emitters shifted by 180 °.
Другой конец каждого из основных проводников отрезка (3) линии передачи электрически соединен с центральным проводником (1) одного из выходов схемы питания. Вспомогательные проводники отрезков (3) линий передачи соединены электрически с общим проводником (2) схемы питания. В силу существенного влияния на СВЧ паразитных реактивностей соединительных проводов точка соединения вспомогательного проводника отрезка (3) линии передачи должна располагаться как можно ближе к соединению основного проводника отрезка (3) линии передачи и общего проводника (2) схемы питания, как показано на фиг.1.The other end of each of the main conductors of the segment (3) of the transmission line is electrically connected to the central conductor (1) of one of the outputs of the power circuit. The auxiliary conductors of the segments (3) of the transmission lines are electrically connected to a common conductor (2) of the power circuit. Due to the significant influence on the microwave parasitic reactances of the connecting wires, the connection point of the auxiliary conductor of the transmission line segment (3) should be located as close as possible to the connection of the main conductor of the transmission line segment (3) and the common conductor (2) of the power circuit, as shown in Fig. 1 .
Спиральные излучатели разделяются на две группы (5) и (6) по четыре излучателя. В каждой группе они располагаются с угловым сдвигом в 90 градусов. Каждая группа излучателей обеспечивает функционирование антенны в своем диапазоне частот (назовем их первым и вторым), которые имеют центральные частоты f1,2. Пусть для определенности f1<f2. Тогда группа (5) спиральных излучателей, имеющих большую длину, работает в первом диапазоне с центральной частотой f1, а группа (6) излучателей работает во втором диапазоне с центральной частотой f2.Spiral emitters are divided into two groups (5) and (6) of four emitters. In each group they are located with an angular shift of 90 degrees. Each group of emitters ensures the functioning of the antenna in its frequency range (let's call them first and second), which have center frequencies f 1.2 . For definiteness, let f 1 <f 2. Then the group (5) of spiral emitters having a large length operates in the first range with a central frequency f 1 , and the group (6) of emitters works in the second range with a central frequency f 2 .
В излучающие проводники (4) включены сосредоточенные резонансные контуры (7) и (8). Эти контуры могут быть как последовательными, так и параллельными. Контуры в каждой группе (5) и (6) спиральных излучателей имеют одинаковые резонансные частоты. Резонансные частоты контуров (7) и (8), включенных в разные группы спиральных излучателей, имеют разные резонансные частоты. Если контуры параллельные, то они на резонансной частоте имеют бесконечное реактивное сопротивление. В этом случае резонансные частоты fr1 контуров (8) в группе (5) спиральных излучателей, функционирующих в первом (нижнем) частотном диапазоне близким к резонансной частоте f2. Соответственно резонансные частоты fr2 контуров (7) в группе (6) спиральных излучателей близки к частоте f1. Таким образом, выполняется неравенство fr2<fr1. The radiating conductors (4) include concentrated resonant circuits (7) and (8). These circuits can be either sequential or parallel. The contours in each group (5) and (6) of spiral emitters have the same resonant frequencies. The resonant frequencies of the circuits (7) and (8) included in different groups of spiral radiators have different resonant frequencies. If the circuits are parallel, then they have an infinite reactance at the resonant frequency. In this case, the resonant frequencies f r1 of the circuits (8) in the group (5) of spiral radiators operating in the first (lower) frequency range close to the resonant frequency f 2 . Accordingly, the resonant frequencies f r2 of the circuits (7) in the group (6) of spiral radiators are close to the frequency f 1 . Thus, the inequality f r2 <f r1 holds .
При выполнении контуров по последовательной схеме на резонансной частоте они имеют нулевое реактивное сопротивление и поэтому резонансная частота fr1 должна быть близка к f1, а резонансная частота fr2 - к частоте f2. Соответственно резонансные частоты связаны следующим неравенством: fr2>fr1. When performing the circuits in a sequential circuit at the resonant frequency, they have zero reactance and therefore the resonant frequency f r1 should be close to f 1 and the resonant frequency f r2 should be close to f 2 . Accordingly, the resonant frequencies are related by the following inequality: f r2 > f r1.
Другой вариант выполнения двухканальной двухдиапазонной квадрифилярной антенны показан на фиг.2. Его особенностью является то, что отрезок (3) линии передачи выполнен в виде двухпроводной линии передачи, причем все ее проводники, а также излучающие проводники (4) выполнены в виде печатных проводников, которые могут располагаться на общей подложке из пленочного диэлектрика. Подложка наматывается на диэлектрический конус (10), что придает конструкции дополнительную механическую прочность. Реализация отрезков (3) линий передачи и излучающих проводников (4) в рамках печатной технологии существенно снижает стоимость антенны и повышает ее технологичность.Another embodiment of a dual channel dual band quadrifilar antenna is shown in FIG. Its feature is that the segment (3) of the transmission line is made in the form of a two-wire transmission line, and all its conductors, as well as radiating conductors (4) are made in the form of printed conductors, which can be located on a common substrate of a film dielectric. The substrate is wound on a dielectric cone (10), which gives the structure additional mechanical strength. The implementation of segments (3) of transmission lines and radiating conductors (4) in the framework of printing technology significantly reduces the cost of the antenna and increases its manufacturability.
Схема питания состоит из двух квадратурных четырехканальных делителей мощности (назовем их первым и вторым делителем), каждый из которых обеспечивает функционирование антенны в своем диапазоне частот. При этом каждый делитель имеет один вход и четыре выхода. Центральные проводники (1) выходов соединены с основными проводниками отрезков (3) линий передачи. Первый делитель соединен со спиральными излучателями, функционирующими в первом диапазоне частот, а второй делитель со спиральными излучателями диапазона 2. Каждый из делителей удобно выполнить в виде полосковой платы, экран которой одновременно выполняет функцию соединенных вместе общих проводников (2) выходов схемы питания. Эти платы имеют общий экран, образующий общий проводник (2) схемы питания, а их полосковые проводники (11) и (12) располагаются по разные стороны от общего проводника (2), как показано на фиг.3. Выходы (13) первого квадратурного делителя мощности выполнены в виде проводников, соединенных с полосковыми проводниками (11). Они проходят через диэлектрические подложки полосковых плат и соединяются с основными проводниками отрезков (3) линий передачи. Выходы (14) второго квадратурного делителя мощности также выполнены в виде проводников, которые соединены с полосковыми проводниками (12). Они располагаются вне диэлектрических подложек и непосредственно соединяются с основными проводниками отрезков (3) линий передачи.The power circuit consists of two quadrature four-channel power dividers (we will call them the first and second divider), each of which ensures the functioning of the antenna in its own frequency range. In addition, each divider has one input and four outputs. The central conductors (1) of the outputs are connected to the main conductors of the segments (3) of the transmission lines. The first divider is connected to spiral emitters operating in the first frequency range, and the second divider to spiral emitters of
Пример выполнения первого квадратурного делителя мощности в виде полосковой платы показан на фиг.4. В схеме использованы синфазные делители мощности с отношением деления 1:1 и фазосдвигатели на отрезках полосковых линий передачи. Применение фазосдвигателей обеспечивает сдвиг фаз между напряжениями в выходных каналах на ±90 градусов, а использование синфазных равноамплитудных делителей мощности обеспечивает одинаковые амплитуды указанных выше напряжений. Квадратурный делитель мощности, показанный на фиг.4, имеет один вход (15) и четыре выхода (13), которые выполнены в виде металлизированных отверстий, проходящих через диэлектрическую подложку.An example of the implementation of the first quadrature power divider in the form of a strip board is shown in figure 4. The circuit uses common-mode power dividers with a division ratio of 1: 1 and phase shifters on segments of strip transmission lines. The use of phase shifters provides a phase shift between the voltages in the output channels by ± 90 degrees, and the use of common-mode equal-amplitude power dividers ensures the same amplitudes of the above voltages. The quadrature power divider shown in FIG. 4 has one input (15) and four outputs (13), which are made in the form of metallized holes passing through the dielectric substrate.
Рассмотрим функционирование антенны. В силу взаимности структуры ее работу можно рассматривать как в приемном, так и в передающем режимах. Рассмотрим ее для определенности в передающем режиме.Consider the operation of the antenna. Due to the reciprocity of the structure, its work can be considered both in the receiving and in the transmitting modes. We consider it for definiteness in the transmitting mode.
Пусть на вход первого делителя поступает волна от СВЧ генератора. Первый делитель формирует на своих выходах напряжения с одинаковыми амплитудами и сдвигом фаз на ±90 градусов. Знак сдвига фаз определяет тип круговой поляризации, которую излучает антенна: право- или левовинтовую. Выходные напряжения первого делителя через центральные проводники (1) прикладываются к центральным проводникам отрезков (3) линий передачи. Эти напряжения возбуждают волны в отрезках (3) линий передачи, которые распространяются вдоль этих отрезков и формируют на их выходах напряжения, возбуждают электрические токи, текущие вдоль излучающих проводников (4), а также по внешним поверхностям отрезков (3) линий передачи. Возбужденные токи, в свою очередь, возбуждают волны в свободном пространстве и формируют излучение круговой поляризации с требуемой диаграммой направленности.Let the wave from the microwave generator arrive at the input of the first divider. The first divider generates at its outputs voltages with the same amplitudes and a phase shift of ± 90 degrees. The sign of the phase shift determines the type of circular polarization that the antenna emits: right- or left-handed. The output voltages of the first divider through the central conductors (1) are applied to the central conductors of the segments (3) of the transmission lines. These voltages excite waves in segments (3) of transmission lines that propagate along these segments and form voltages at their outputs, excite electric currents flowing along radiating conductors (4), as well as along the external surfaces of segments (3) of transmission lines. The excited currents, in turn, excite waves in free space and form circularly polarized radiation with the desired radiation pattern.
Формирование направленного излучения круговой поляризации поясняется на фиг.5. На фиг.5 представлена упрощенная схема квадрифилярной антенны. В ней спиральные излучатели заменены наклонными прямолинейными излучателями, а напряжения на выходах отрезков (3) линий передачи заменены генераторами напряжений U1-U4, при этомThe formation of directional radiation of circular polarization is illustrated in figure 5. Figure 5 presents a simplified diagram of a quadrifilar antenna. In it, the spiral emitters are replaced by inclined rectilinear emitters, and the voltages at the outputs of the segments (3) of the transmission lines are replaced by voltage generators U 1 -U 4 , while
В силу того что питающие напряжения имеют одинаковую амплитуду и сдвинуты по фазе на 90 градусов, токи в плечах квадрифилярной антенны 1-4 также одинаковы по амплитуде и сдвинуты по фазе на 90 градусов. Отметим, что токи в прямолинейных излучателях имеют все три компоненты, но вертикальная компонента IZ не излучает вдоль оси антенны, то есть вдоль оси 0z. Поэтому она не влияет на отношение интенсивности излучения вперед - назад. Рассмотрим компоненту тока Ix. Она складывается из токов и , текущих по наклонным излучателям, и из токов Ix1,4, текущих по горизонтальным проводникам. Нижний горизонтальный проводник моделирует общий проводник схемы питания, а верхний горизонтальный проводник - перемычки, соединяющие излучающие проводники. Токи обычно ослаблены по сравнению с токами, текущими по горизонтальным проводникам, так как распределение тока имеет нуль в середине наклонного проводника. Поэтому можно приближенно принять, чтоDue to the fact that the supply voltages have the same amplitude and are 90 degrees out of phase, the currents in the arms of the quadrifilar antenna 1-4 are also the same in amplitude and 90 degrees out of phase. Note that the currents in rectilinear emitters have all three components, but the vertical component I Z does not emit along the axis of the antenna, that is, along the axis 0z. Therefore, it does not affect the ratio of radiation intensity forward - backward. Consider the current component I x . It is made up of currents and flowing along inclined radiators, and from currents I x1.4 , flowing along horizontal conductors. The lower horizontal conductor models the common conductor of the power circuit, and the upper horizontal conductor models jumpers connecting the radiating conductors. Toki usually weakened compared to currents flowing along horizontal conductors, since the current distribution has zero in the middle of the inclined conductor. Therefore, we can approximately assume that
Эти токи расположены на разных высотах и сдвинуты по фазе друг относительно друга. Пусть токи Ix1 расположены на нулевой высоте, токи Ix2 на высоте h, токи Ix3 на высоте 2h, и токи Ix4 на высоте 3h. Токи Ix2 и Ix4 имеют сдвиг по фазе на 90° относительно токов Ix1 и Ix3.These currents are located at different heights and are phase shifted relative to each other. Let the currents I x1 be located at zero height, the currents I x2 at a height h, the currents I x3 at a height of 2h, and the currents I x4 at a height of 3h. The currents I x2 and I x4 have a phase shift of 90 ° relative to the currents I x1 and I x3 .
Анализ излучения таких токов показывает, что их диаграмма направленности F(θ) в вертикальной плоскости (угол θ отсчитывается от оси 0z, нулевой угол соответствует излучению вперед), описывается следующей формулой:An analysis of the radiation of such currents shows that their radiation pattern F (θ) in the vertical plane (the angle θ is measured from the axis 0z, the zero angle corresponds to the radiation forward) is described by the following formula:
где k - волновое число свободного пространства.where k is the wave number of free space.
Параметр ОИВН при этом определяется следующим образом:The OIVN parameter is determined as follows:
Из соотношения (4) видно, что параметр ОИВН стремится к бесконечности (излучение назад отсутствует), когда , то есть расстояние между токами равно четверти длины волны в свободном пространстве. При меньших расстояниях ОИВН может быть достаточно большой, но конечной величиной.From relation (4) it can be seen that the OIVN parameter tends to infinity (there is no radiation back), when , that is, the distance between the currents is equal to a quarter of the wavelength in free space. At shorter distances, the SIR can be quite large, but finite.
Излучение волн круговой поляризации в квадрифилярной антенне, показанной на фиг.5, легко объяснить из анализа токов, текущих вдоль проводников. Круговая поляризация возникает, когда имеются одинаковые по амплитуде токи, сдвинутые в пространстве на 90 градусов и имеющие сдвиг по фазе также на 90 градусов. Из сказанного выше следует, что именно такая ситуация наблюдается в квадрифилярной антенне. Если рассмотреть токи на парах излучателей 1-3 и 2-4, то можно заметить, что в пространстве они повернуты на 90 градусов, амплитуды их равны, а фазы отличаются на 90 градусов.The radiation of circularly polarized waves in the quadrifilar antenna shown in FIG. 5 is easy to explain from the analysis of currents flowing along the conductors. Circular polarization occurs when there are currents of the same amplitude, shifted in space by 90 degrees and also having a phase shift of 90 degrees. It follows from the foregoing that this is precisely the situation observed in a quadrifilar antenna. If we consider the currents on the pairs of emitters 1-3 and 2-4, we can see that in space they are rotated 90 degrees, their amplitudes are equal, and the phases differ by 90 degrees.
Выполнение части спирального излучателя в виде отрезка (3) линии передачи приводит к тому, что точка включения генератора напряжения может перемещаться по длине излучателя. Это реализует удобное для практического использования значение входного сопротивления излучателя, которое, как правило, находится в пределах 50-100 Ом.The execution of part of the spiral emitter in the form of a segment (3) of the transmission line leads to the fact that the point of inclusion of the voltage generator can move along the length of the emitter. This implements a value of the input resistance of the emitter convenient for practical use, which, as a rule, is in the range of 50-100 Ohms.
Выбор необходимой величины входного сопротивления поясняется на фиг.6, на которой показано распределение электрического тока, текущего по поверхности спирального излучателя. Координата z направлена вдоль оси излучателя. Точка z=0 соответствует нижней части излучателя, расположенной около схемы питания, а точка z=L соответствует верхнему концу излучателя, совпадающему с обрывом излучающего проводника (4). Точка включения генератора напряжения расположена на расстоянии L1 от нижней части излучателя.The choice of the required input resistance value is illustrated in Fig.6, which shows the distribution of the electric current flowing over the surface of the spiral emitter. The z coordinate is directed along the axis of the emitter. The point z = 0 corresponds to the lower part of the emitter located near the power circuit, and the point z = L corresponds to the upper end of the emitter, which coincides with the breakage of the radiating conductor (4). The switching point of the voltage generator is located at a distance L 1 from the bottom of the emitter.
Распределение тока I(z) приближенно можно описать тригонометрической функцией . Тогда входное сопротивление излучателя Z оказывается пропорциональным отношению ЭДС генератора E к току I(z) в точке его включения:The current distribution I (z) can be approximately described by the trigonometric function . Then the input impedance of the emitter Z is proportional to the ratio of the emf of the generator E to the current I (z) at the point of its inclusion:
Из соотношения (5) видно, что, варьируя расстояние L1, можно изменять в широких пределах входное сопротивление Z.From relation (5) it can be seen that by varying the distance L 1 , it is possible to vary the input resistance Z over a wide range.
Длина спирального излучателя определяет его рабочую частоту. Это связано с тем, что такой излучатель является резонансным устройством, функционирующим в некоторой ограниченной полосе частот. Приближенно условие резонанса можно записать следующим образом:The length of the spiral emitter determines its operating frequency. This is due to the fact that such an emitter is a resonant device operating in a certain limited frequency band. Approximately the resonance condition can be written as follows:
где λ - длина волны в свободном пространстве. Из соотношения (6) видно, что длина излучателя обратно пропорциональна центральной частоте его рабочего диапазона. По этой причине спиральные излучатели, функционирующие в нижнем частотном диапазоне, имеют длину, большую спиральных излучателей, функционирующих в верхнем диапазоне частот.where λ is the wavelength in free space. From relation (6) it is seen that the length of the emitter is inversely proportional to the center frequency of its operating range. For this reason, spiral emitters operating in the lower frequency range have a length greater than spiral emitters operating in the upper frequency range.
Особенностью двухдиапазонной квадрифилярной антенны является ее одновременное функционирование в двух разных диапазонах частот, которое существенно усложняется взаимной связью групп (5) и (6) спиральных излучателей, которая происходит через свободное пространство и не может быть устранена по цепям питания. Наличие такой связи приводит к ряду отрицательных явлений, к которым относятся следующие. Часть энергии, излученной группой излучателей на частоте ее настройки, принимается излучателями другой группы и рассеивается в нагрузке входа ее подсхемы питания. Это приводит к потерям мощности и снижает коэффициент усиления антенны. Кроме того, наличие взаимной связи усложняет настройку антенны, так как она изменяет собственные резонансные частоты излучателей, что приводит к смещению рабочих диапазонов частот при совместной работе в составе двухдиапазонной антенны.A feature of the dual-band quadrifilar antenna is its simultaneous operation in two different frequency ranges, which is significantly complicated by the interconnection of groups (5) and (6) of spiral radiators, which occurs through free space and cannot be eliminated through power circuits. The presence of such a relationship leads to a number of negative phenomena, which include the following. Part of the energy emitted by a group of emitters at its tuning frequency is received by emitters of another group and is dissipated in the load of the input of its power subcircuit. This results in power loss and reduces the antenna gain. In addition, the presence of mutual coupling complicates the tuning of the antenna, since it changes the natural resonant frequencies of the emitters, which leads to a shift in the working frequency ranges when working together as part of a dual-band antenna.
Для ослабления связи двух групп (5) и (6) спиральных излучателей в их излучающие проводники (4) вводятся резонансные контуры на сосредоточенных элементах. Эти контуры могут быть как параллельными, так и последовательными. При использовании последовательных контуров их резонансные частоты fr1 в группе (5) спиральных излучателей выбираются близкими к центральной частоте первого частотного диапазона f1, a резонансные частоты контуров fr2 в группе (6) спиральных излучателей выбираются близкими к центральной частоте второго частотного диапазона f2. В этом случае в пределах своих рабочих диапазонов контуры имеют малое реактивное сопротивление и не влияют на работу своих групп (5) и (6) спиральных излучателей. При отстройке частоты от резонансной реактивное сопротивление контура быстро возрастает, и поэтому контуры в группах (5) и (6) спиральных излучателей на частотах f2 и f1 соответственно имеют большие сопротивления. Поэтому токи, наводимые спиральными излучателями группы (5) на спиральных излучателях группы (6) на частоте f1, малы. Точно также малыми оказываются токи, наводимые спиральными излучателями группы (6) на спиральных излучателях группы (5) на частоте f2. Уменьшение токов приводит к ослаблению взаимной связи групп излучателей. Следует отметить, что использование последовательных контуров обеспечивает полное отсутствие их влияния на свою группу излучателей. Степень подавления токов на соседней группе излучателей оказывается конечной величиной, то есть полное подавление тока отсутствует.To weaken the connection between the two groups (5) and (6) of spiral radiators, resonant circuits on lumped elements are introduced into their radiating conductors (4). These circuits can be either parallel or sequential. When using sequential circuits, their resonant frequencies f r1 in the group (5) of spiral radiators are chosen close to the center frequency of the first frequency range f 1 , and the resonant frequencies of the circuits f r2 in the group (6) of spiral radiators are chosen close to the center frequency of the second frequency range f 2 . In this case, within their operating ranges, the circuits have a low reactance and do not affect the operation of their groups (5) and (6) of spiral radiators. When the frequency detuning from the resonance, the reactance of the circuit increases rapidly, and therefore the circuits in groups (5) and (6) of spiral radiators at frequencies f 2 and f 1, respectively, have large resistances. Therefore, the currents induced by the spiral emitters of group (5) on the spiral emitters of group (6) at a frequency f 1 are small. The currents induced by the spiral emitters of group (6) on the spiral emitters of group (5) at a frequency f 2 also turn out to be small. A decrease in currents leads to a weakening of the interconnection of groups of emitters. It should be noted that the use of sequential circuits ensures the complete absence of their influence on your group of emitters. The degree of current suppression on an adjacent group of emitters is a finite value, that is, there is no complete current suppression.
Применение параллельных контуров, наоборот, обеспечивает бесконечное реактивное сопротивление группы (6) спиральных излучателей на частоте f1 за счет выбора резонансных частот контуров этой группы fr2=f1. Аналогично в группе (5) излучателей параллельные контуры имеют резонансные частоты fr1=f2, что обеспечивает минимум наводимых токов в этой группе излучателей на частоте f2. При этом влияние контуров на работу своих групп излучателей остается конечным. Это делает необходимым осуществлять настройку этих излучателей с учетом присутствия в них контуров.The use of parallel loops, on the contrary, provides infinite reactance of the group (6) of helical emitters at a frequency f 1 due to the choice of the resonant frequencies of the loops of this group f r2 = f 1 . Similarly, in the group (5) of emitters, the parallel circuits have resonant frequencies f r1 = f 2 , which ensures a minimum of induced currents in this group of emitters at a frequency f 2 . In this case, the influence of the circuits on the operation of their groups of emitters remains finite. This makes it necessary to configure these emitters taking into account the presence of contours in them.
Экспериментальные диаграммы направленности, полученные в диапазонах L1,2 с центральными частотами 1590 МГц и 1245 МГц соответственно изображены на фиг.7 и 8. График на фиг.7 соответствует диапазону L1, а на фиг.8 - диапазону L2.The experimental radiation patterns obtained in the L1,2 bands with center frequencies of 1590 MHz and 1245 MHz are respectively shown in Figs. 7 and 8. The graph in Fig. 7 corresponds to the L1 band, and in Fig. 8 to the L2 band.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed invention:
- антенное устройство, воплощающее заявленное изобретение, предназначено для использовании в промышленности, а именно в технике антенн, например, в качестве приемной антенны устройства спутниковой навигации;- an antenna device embodying the claimed invention is intended for use in industry, namely in antenna technology, for example, as a receiving antenna of a satellite navigation device;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств;- for the claimed device in the form described in the independent clause of the claims, the possibility of its implementation using the means described in the application is confirmed;
- антенное устройство, воплощающее заявленное изобретение, позволяет реализовать следующий технический результат: расширить полосу рабочих частот, разделить сигналы двух частотных диапазонов по разным входам, снизить аэродинамическое сопротивление и таким образом снизить стоимость и повысить технологичность радиоэлектронных систем.- an antenna device embodying the claimed invention allows to realize the following technical result: to expand the operating frequency band, to separate the signals of two frequency ranges at different inputs, to reduce aerodynamic drag and thus reduce the cost and increase the manufacturability of electronic systems.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009137623/07A RU2400879C1 (en) | 2009-10-12 | 2009-10-12 | Double-channel duel-band quadrifilar antenna |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009137623/07A RU2400879C1 (en) | 2009-10-12 | 2009-10-12 | Double-channel duel-band quadrifilar antenna |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2400879C1 true RU2400879C1 (en) | 2010-09-27 |
Family
ID=42940536
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009137623/07A RU2400879C1 (en) | 2009-10-12 | 2009-10-12 | Double-channel duel-band quadrifilar antenna |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2400879C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU195138U1 (en) * | 2019-06-28 | 2020-01-15 | Николай Петрович Чубинский | THREE-BAND ANTENNA UNIT WITH CIRCLE POLARIZATION |
RU2773634C1 (en) * | 2021-09-03 | 2022-06-06 | Акционерное общество "Аэроприбор - Восход" | Two-channel quadrifilar spiral antenna |
-
2009
- 2009-10-12 RU RU2009137623/07A patent/RU2400879C1/en active
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU195138U1 (en) * | 2019-06-28 | 2020-01-15 | Николай Петрович Чубинский | THREE-BAND ANTENNA UNIT WITH CIRCLE POLARIZATION |
RU2773634C1 (en) * | 2021-09-03 | 2022-06-06 | Акционерное общество "Аэроприбор - Восход" | Two-channel quadrifilar spiral antenna |
RU212517U1 (en) * | 2022-05-25 | 2022-07-27 | АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ЭЙРБУРГ" (АО "Эйрбург") | MODULAR ANTENNA FOR LONG-TERM NAVIGATION RADIO ENGINEERING SYSTEM |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7724200B2 (en) | Antenna device, array antenna, multi-sector antenna, high-frequency wave transceiver | |
US4494117A (en) | Dual sense, circularly polarized helical antenna | |
EP2068400A1 (en) | Slot antenna for mm-wave signals | |
CN107895846B (en) | Circular polarization patch antenna with broadband | |
CN112259962B (en) | Dual-band common-aperture antenna array based on dual-mode parallel waveguide | |
JP4296282B2 (en) | Multi-frequency microstrip antenna | |
TWI404265B (en) | Printed dipole antenna and its manufacturing method | |
EP1590857A1 (en) | Low profile dual frequency dipole antenna structure | |
EP2590262A1 (en) | Reconfigurable polarization antenna | |
JP6456506B2 (en) | Antenna device | |
CN112803166B (en) | X-band broadband circularly polarized metal loading dielectric resonator antenna | |
RU2480870C1 (en) | Multirange antenna of circular polarisation with metamaterial | |
US6437744B1 (en) | Circularly polarized wave antenna device | |
JP2022054525A (en) | Board-type antenna for global positioning satellite system | |
RU2400879C1 (en) | Double-channel duel-band quadrifilar antenna | |
JP4795449B2 (en) | Antenna device | |
RU2620195C1 (en) | Resonant antenna | |
JP6953807B2 (en) | Antenna device | |
CN110085982B (en) | Ultra-wideband dual-polarized antenna and manufacturing method thereof | |
JP3226441U (en) | Bent cross antenna and antenna device | |
Sokolov et al. | Synthesis of a dual-band circular polarization antenna for global navigation satellite system GLONASS | |
JP2020115619A (en) | Waveguide/transmission line converter, waveguide slot antenna and waveguide slot array antenna | |
RU2395877C1 (en) | Quadrifilar antenna | |
KR101142083B1 (en) | Spiral slot antenna | |
JP6808103B2 (en) | Antenna device and communication device |