Н.В. Коробейников

Н.В. Коробейников
ОАО «Центральное конструкторское бюро автоматики»
644027, г. Омск, Космический пр. 24а
E-mail: ckba @ omsknet.ru
МАЛОГАБАРИТНАЯ СПИРАЛЬНАЯ АНТЕННА
Рассматривается возможность создания малогабаритной полусферической спиральной антенны для диапазона частот 8-12 ГГц. Приводится анализ возможной конструкции, достоинства и недостатки антенны.
Целью данной работы было проектирование антенны с эллиптической поляризацией с минимально возможными габаритами и заданными радиотехническими характеристиками. Наиболее распространенные антенны с круговой поляризацией - это спиральные антенны, в их пользу и был сделан выбор в процессе проектирования. Линейные размеры антенн напрямую зависят от рабочей длины волны λ, в случае с полусферическими спиральными антеннами этот размер – диаметр основания. Рабочий диапазон проектируемой антенны 8-12 ГГц, следовательно, длина волны изменяется от 37,5
до 25 мм. Так как диаметр антенны должен быть равен приблизительно λ/2, было решено использовать полусферу диаметром 12 мм [1].
Конструкция антенны представляет собой диэлектрическую полусферу с усеченной верхней частью, на которой находится печатная плата с арифметической двухзаходной спиралью. На поверхности полусферы размещена двухзаходная арифметическая проволочная спираль, которая гальванически соединена с одной стороны с ветвями плоской двухзаходной спирали, а с другой стороны с металлическим основанием
антенны.
В нижней части полусферы располагается диск из радиопоглощающего материала, который имеет влияние на КСВН и диаграмму направленности на нижних частотах
рабочего диапазона, а именно на устранение заднего лепестка диаграммы направленности антенны.
Для улучшения характеристик антенны на верхних частотах под плоскую спираль установлен диск из радиопоглощающего материала. Диэлектрическая проницаемость ε=4,2 выбрана достаточно высокой с целью минимализации диаметра полусферы
и исходя из применяемых на предприятии материалов. Под радиопоглощающим диском находится тонкий слой металлической фольги, что обеспечивает наиболее успешное поглощение электромагнитных волн.
Между корпусом и нижним диском радиопоглощающего материала имеется
тонкий диск из оргстекла, который обеспечивает необходимое положение верхнего
диска радиопоглощающего материала относительно спирали. Выбор радиопоглощающего материала был сделан в пользу состава на основе АМАГ-200, который обеспечивает лучшие значения КСВН, коэффициента эллиптичности и направленности излучения антенны в сравнении с ПМ 3,2 [2].
Питание антенны выполнено с помощью классического щелевого симметрирующего трансформатора. Он представляет собой металлический коаксиальный кабель с
вырезом в верхней части, одна половина которого распаивается непосредственно на
ветвь плоской двухзаходной спирали, а другая имеет контакт с центральной жилой кабеля и с другой ветвью плоской двухзаходной спирали. Трансформатор заполнен диэлектрическим материалом из фторопласта. Длина щели была рассчитана для λср с
учетом заполняющего трансформатор диэлектрика фторопласта [3]. Ширина щели была подобрана экспериментально с учетом последующего изготовления образца. Вся
конструкция находится на металлическом основании диаметром 12 мм. Выход антенны
– тип IX розетка ГОСТ РВ 51914-2002. Конструкция антенны показана на рис. 1.
Все расчеты были проведены в программе 3D моделирования. При расчете выявлено, что наиболее влияющими факторами оказались толщина и электромагнитные
параметры радиопоглощающего материала как в основании антенны, так и в ее корпусе; диэлектрическая проницаемость корпуса; длина щели трансформатора; геометрические особенности плоской спирали (форма, ширина и количество витков).
В итоге проектирования были сделаны следующие выводы: к достоинствам антенны можно отнести получившиеся малые размеры и массу, хорошую направленность
излучения и согласование с питающей линией. К недостаткам можно отнести сравнительно малый коэффициент усиления, что обуславливается наличием радиопоглощающего материала в конструкции; так же можно сказать о возможном расхождении расчетных данных от экспериментальных.
Рис. 1 Конструкция антенны:1 – согласующий симметрирующий щелевой трансформатор; 2 – оргстекло;
3 – корпус; 4 – основание; 5 – плата с плоской спиралью; 6 – радиопоглощающий состав на основе
нанокристаллического порошка АМАГ-200; 7 – фольга; 8 – полусферическая спираль
Рис. 2 Малогабаритная спиральная антенна
Основные радиотехнические характеристики антенны
Коэффициент перекрытия рабочего диапазона частот
Коэффициент стоячей волны по напряжению, не более
Коэффициент усиления, раз
Коэффициент эллиптичности, раз
Поляризация
Ширина диаграммы направленности, град
Уровень заднего лепестка, %, не более
Волновое сопротивление, Ом
Габариты
1,5
3,5
2
0,5
эллиптическая
80
10
50
d=12 мм H=8,5мм
Антенна может входить в любую радиотехническую систему, где требуется слабонаправленная малоразмерная антенна эллиптической поляризации соответствующего
диапазона частот. Может использоваться как одиночная антенна, так и как элемент более сложной конструкции, например, антенной решетки.
Литература
1. Рамзей В. Частотно независимые антенны. – М.: Мир. – 1968. – 175 с.
2. Пат. 2414029 Российская Федерация, МПК Н01Q17/00 «Поглотитель электромагнитных волн» / Н. Зайцева, Г.В. Коробейников, Д.Д. Кохюк, Л.Н. Иванова, В.В. Славин, П.А. Кузнецов, Н.В. Маренников, В.Н. Семененко; заявитель Открытое акционерное общество «Центральное конструкторское бюро автоматики». – № 201010317/07;
заявл. 01.02.2010; опублик. 10.03.2011, Бюл. № 7.
3. Ротхаммель К., Кришке А. Антенны. Том 1. Пер.с нем. – Мн.: ОМО «Наш город». – 2001. – 416 с.: ил.