[go: up one dir, main page]

RU2843513C1 - Small-sized helical ultra-wideband antenna - Google Patents

Small-sized helical ultra-wideband antenna

Info

Publication number
RU2843513C1
RU2843513C1 RU2024128220A RU2024128220A RU2843513C1 RU 2843513 C1 RU2843513 C1 RU 2843513C1 RU 2024128220 A RU2024128220 A RU 2024128220A RU 2024128220 A RU2024128220 A RU 2024128220A RU 2843513 C1 RU2843513 C1 RU 2843513C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
antenna
metal housing
spiral
connector
ultra
Prior art date
Application number
RU2024128220A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валентин Алексеевич Ходунов
Александр Александрович Башкетов
Дмитрий Александрович Горшков
Original Assignee
Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт имени академика А.И. Берга"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт имени академика А.И. Берга" filed Critical Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт имени академика А.И. Берга"
Application granted granted Critical
Publication of RU2843513C1 publication Critical patent/RU2843513C1/en

Links

Abstract

FIELD: antenna equipment.
SUBSTANCE: invention relates to antenna engineering and specifically to helical antennae operating in 1-18 GHz frequency range. Proposed is a small-sized helical ultra-wideband antenna comprising a metal housing in which a resistance transformer with a connector is located, consisting of a shield with a flange fixed to the metal housing by means of fastening screws, from central core, on which coaxial-waveguide line is located, inserted into screen with flange, wherein one end of resistance transformer with connector is connected to receiving-transmitting circuit, and the other end of the resistance transformer with a connector is connected to the antenna spiral through the inner diameter, characterized in that the antenna spiral is made in the form of a non-uniform Archimedean spiral located on a dielectric substrate mounted in a metal housing and fixed to it by rivets, and inside the metal housing there is an absorber with a dielectric insert mounted thereon, wherein non-uniform Archimedean spiral by ends on outer diameter through resistors is connected to outer conducting periphery of metal housing.
EFFECT: stability of amplitude and phase parameters of an output antenna signal in the whole range of frequencies.
2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике, а именно к спиральным антеннам, работающим в диапазоне частот от 1 ГГц до 18 ГГц в составе антенных систем различного назначения, в частности в системах обнаружения, пеленгации и сопровождения.The invention relates to antenna technology, namely to helical antennas operating in the frequency range from 1 GHz to 18 GHz as part of antenna systems for various purposes, in particular in detection, direction finding and tracking systems.

К радиотехническим системам пеленгации и сопровождения достаточно часто предъявляются требования широкополосности и миниатюрности. Во многих современных системах пеленгования источников излучения, комплексах радиомониторинга и радионаблюдения широкая полоса рабочих частот и прием сигналов с произвольной поляризацией обеспечиваются за счет применения спиральных антенн. Широкополосность антенн определяется требованиями к согласованию (коэффициент стоячей волны), к форме и ширине диаграмм направленности, к величине коэффициента усиления в рабочем диапазоне частот. Спиральные антенны являются слабонаправленными антеннами эллиптической и управляемой поляризации и могут применяться как самостоятельные антенны или в составе антенных решеток.The requirements for broadband and miniature size are often imposed on radio engineering systems for direction finding and tracking. In many modern systems for direction finding of radiation sources, radio monitoring and radio surveillance systems, a wide operating frequency band and reception of signals with arbitrary polarization are provided by using spiral antennas. The broadband of antennas is determined by the requirements for matching (standing wave ratio), the shape and width of the radiation patterns, and the magnitude of the gain in the operating frequency range. Spiral antennas are weakly directional antennas of elliptical and controlled polarization and can be used as independent antennas or as part of antenna arrays.

Для уменьшения габаритных размеров антенны и достижения широкополосности пространство между спиралью и дном рефлектора заполняют диэлектрическими материалами. Известно, что распространение электромагнитных волн в диэлектрике приводит к их замедлению и к укорочению длины волны, по сравнению с длиной волны в свободном пространстве (Сверхширокополосные антенны (сборник статей): пер. с англ. / пер. С.В. Попов, В.А. Журавлев. Под редакцией Л.С. Бененсона. - Москва: Мир, 1964. - 464 стр.).To reduce the overall dimensions of the antenna and achieve broadband, the space between the spiral and the bottom of the reflector is filled with dielectric materials. It is known that the propagation of electromagnetic waves in a dielectric leads to their slowing down and to a shortening of the wavelength, compared to the wavelength in free space (Ultra-wideband antennas (collection of articles): trans. from English / trans. S.V. Popov, V.A. Zhuravlev. Edited by L.S. Benenson. - Moscow: Mir, 1964. - 464 pp.).

Известна «Малогабаритная сверхширокополосная спиральная антенна» (патент RU 2790277 C1, опубл. 15.02.2023). Антенна содержит комбинированную двухзаходную спираль, диэлектрический корпус с размещенной на нем полусферической спиралью, согласующий симметрирующий трансформатор и металлические рефлекторы. При реализации известного изобретения увеличивается коэффициент усиления в нижней части рабочего диапазона частот и расширяются диапазоны антенны в область более низких частот. Однако указанное решение не может обеспечить формирование сигнала с устойчивым значением диаграммы направленности на переходе свойств изменения электромагнитной волны и с отсутствием дрейфа фазового центра во всем рабочем диапазоне частот от 1 ГГц до 18 ГГц.The "Small-sized ultra-wideband helical antenna" is known (patent RU 2790277 C1, published 15.02.2023). The antenna contains a combined two-way helix, a dielectric housing with a hemispherical helix placed on it, a matching balun transformer and metal reflectors. When implementing the known invention, the gain in the lower part of the operating frequency range increases and the antenna ranges are expanded to lower frequencies. However, this solution cannot ensure the formation of a signal with a stable value of the radiation pattern at the transition of the properties of the electromagnetic wave and with the absence of phase center drift in the entire operating frequency range from 1 GHz to 18 GHz.

За прототип принята полосковая спиральная антенна, опубликованная в источнике «Синусная антенна с двухполяризационным режимом работы» («The Sinuous Antenna in Dual Polarized Configuration». Mohammad Vahdani. Low-profile, Ultra-Wideband and Dual Polarized Antennas and Feeding Systems [Электронный ресурс], https://pastel.archives-ouvertes.fr), опубл. 18.06.2010). Антенна содержит металлический корпус, в котором расположен трансформатор сопротивлений с разъемом, состоящий из экрана с фланцем, и центральной жилы, на которой расположена коаксиально-волноводная линия, вставленные в экран с фланцем. Недостатком прототипа является то, что полосковая спиральная антенна не обеспечивает устойчивое значение диаграммы направленности на переходе свойств изменения электромагнитной волны и стабильное положение фазового центра по всему рабочему диапазону частот, не является малогабаритной и сверхширокополосной.The prototype is a strip helical antenna published in the source "The Sinuous Antenna in Dual Polarized Configuration". Mohammad Vahdani. Low-profile, Ultra-Wideband and Dual Polarized Antennas and Feeding Systems [Electronic resource], https://pastel.archives-ouvertes.fr), published 18.06.2010). The antenna contains a metal case, which contains a resistance transformer with a connector, consisting of a screen with a flange, and a central core, on which a coaxial-waveguide line is located, inserted into the screen with a flange. The disadvantage of the prototype is that the strip helical antenna does not provide a stable value of the radiation pattern at the transition of the properties of the change in the electromagnetic wave and a stable position of the phase center over the entire operating frequency range, is not compact and ultra-wideband.

Техническая проблема состоит в том, что известные спиральные антенны не обеспечивают стабильность выходных антенных параметров для потребителей приемного сигнала систем обнаружения, пеленгации и сопровождения во всем рабочем диапазоне частот от 1 ГГц до 18 ГГц.The technical problem is that the known helical antennas do not provide stability of the output antenna parameters for consumers of the receiving signal of detection, direction finding and tracking systems in the entire operating frequency range from 1 GHz to 18 GHz.

Технический результат в заявляемом изобретении состоит в повышении качества выходного антенного сигнала, обеспечивающего потребителям стабильные амплитудные и фазовые параметры во всем рабочем диапазоне частот.The technical result of the claimed invention consists in improving the quality of the output antenna signal, providing consumers with stable amplitude and phase parameters in the entire operating frequency range.

Для достижения технического результата предлагается малогабаритная спиральная сверхширокополосная антенна, содержащая металлический корпус, в котором расположен трансформатор сопротивлений с разъемом, состоящий из экрана с фланцем, закрепленного к металлическому корпусу с помощи крепежных винтов, из центральной жилы, на которой расположена коаксиально-волноводная линия, вставленные в экран с фланцем, при этом один конец трансформатора сопротивлений с разъемом соединен с приемопередающим трактом, а другой конец трансформатора сопротивлений с разъемом соединен со спиралью антенны через внутренний диаметр, причем спираль антенны выполнена в виде неравномерной Архимедовой спирали, расположенной на диэлектрической подложке, установленной в металлическом корпусе и зафиксированной с ним с помощью заклепок, а внутри металлического корпуса расположен поглотитель с установленной на нем диэлектрической вставкой. При этом неравномерная Архимедова спираль концами на внешнем диаметре через резисторы соединена с внешней проводящей периферией металлического корпуса.In order to achieve the technical result, a small-sized spiral ultra-wideband antenna is proposed, comprising a metal housing, in which a resistance transformer with a connector is located, consisting of a screen with a flange, fixed to the metal housing using fastening screws, from a central core, on which a coaxial-waveguide line is located, inserted into the screen with a flange, wherein one end of the resistance transformer with a connector is connected to the transmitting and receiving path, and the other end of the resistance transformer with a connector is connected to the antenna spiral through the inner diameter, wherein the antenna spiral is made in the form of an uneven Archimedean spiral located on a dielectric substrate installed in the metal housing and fixed to it using rivets, and an absorber with a dielectric insert installed on it is located inside the metal housing. In this case, the uneven Archimedean spiral is connected with its ends on the outer diameter through resistors to the outer conductive periphery of the metal housing.

Металлический корпус и диэлектрическая подложка малогабаритной спиральной сверхширокополосной антенны имеют технологические отверстия для возможности установки антенны на объекте-носителе.The metal body and dielectric substrate of the small-sized spiral ultra-wideband antenna have technological openings for the possibility of installing the antenna on the carrier object.

Изобретение поясняется фигурами.The invention is illustrated by figures.

На фиг. 1 изображена малогабаритная сверхширокополосная спиральная антенна с габаритными размерами.Fig. 1 shows a small-sized ultra-wideband helical antenna with overall dimensions.

На фиг. 2 изображена малогабаритная сверхширокополосная спиральная антенна в разрезе.Fig. 2 shows a small-sized ultra-wideband helical antenna in section.

На фиг. 1-2 введены обозначения:In Fig. 1-2 the following notations are introduced:

1. Спираль антенны в виде неравномерной Архимедовой спирали.1. The antenna spiral is in the form of an uneven Archimedean spiral.

2. Диэлектрическая подложка.2. Dielectric substrate.

3. Металлический корпус.3. Metal body.

4. Заклепки.4. Rivets.

5. Технологические отверстия.5. Technological holes.

6. Диэлектрическая вставка.6. Dielectric insert.

7. Поглотитель.7. Absorber.

8. Резисторы.8. Resistors.

9. Экран с фланцем трансформатора сопротивлений с разъемом.9. Screen with flange of resistance transformer with connector.

10. Коаксиально-волноводная линия трансформатора сопротивлений с разъемом.10. Coaxial-waveguide line of impedance transformer with connector.

11. Центральная жила трансформатора сопротивлений с разъемом.11. Central core of the resistance transformer with connector.

12. Крепежные винты.12. Mounting screws.

13. Внешняя проводящая периферия металлического корпуса.13. External conductive periphery of the metal housing.

14. Приемо-передающий тракт.14. Transmitting and receiving path.

Сущность заявленной антенныThe essence of the declared antenna

В спиральной антенне может быть несколько ветвей (заходов) спирали. В зависимости от отношения диаметра спирали к длине волны диаграмма направленности может быть осевой или конической. Неравномерная Архимедова спираль характеризуется плавным изменением диаметра провода спирали. В соответствии с назначением антенны необходимо обеспечить ее однонаправленное излучение, для чего в конструкцию антенны включены металлический экран и поглощающие слои. С этой же целью концы конической спирали нагружены на согласующие сопротивления.A spiral antenna may have several branches (leads) of the spiral. Depending on the ratio of the spiral diameter to the wavelength, the radiation pattern may be axial or conical. An uneven Archimedean spiral is characterized by a smooth change in the diameter of the spiral wire. In accordance with the purpose of the antenna, it is necessary to ensure its unidirectional radiation, for which a metal screen and absorbing layers are included in the antenna design. For the same purpose, the ends of the conical spiral are loaded on matching resistances.

Для достижения технического результата в конструкцию малогабаритной сверхширокополосной спиральной антенны включили спираль антенны в виде неравномерной Архимедовой спирали 1, расположенную на диэлектрической подложке 2, которая установлена в металлическом корпусе 3 и зафиксирована с ним с помощью заклепок 4.To achieve the technical result, the design of the small-sized ultra-wideband helical antenna included an antenna helix in the form of an uneven Archimedean spiral 1, located on a dielectric substrate 2, which is installed in a metal housing 3 and fixed to it using rivets 4.

К спирали антенны в виде неравномерной Архимедовой спирали 1 через внутренний диаметр присоединен один конец трансформатора сопротивлений с разъемом, другой конец трансформатора сопротивлений с разъемом соединен с приемопередающим трактом 14.One end of the resistance transformer with a connector is connected to the antenna spiral in the form of an uneven Archimedean spiral 1 through the internal diameter, the other end of the resistance transformer with a connector is connected to the transmitting and receiving path 14.

Трансформатор сопротивлений с разъемом состоит из экрана с фланцем 9, закрепленным на металлическом корпусе 3 при помощи крепежных винтов 12, и центральной жилы 11, на которой расположена коаксиально-волноводная линия 10, которые вставлены в экран с фланцем 9.The resistance transformer with a connector consists of a screen with a flange 9, secured to a metal housing 3 using fastening screws 12, and a central core 11, on which a coaxial-waveguide line 10 is located, which are inserted into the screen with a flange 9.

Неравномерная Архимедова спираль концами на внешнем диаметре через резисторы 8 соединена с внешней проводящей периферией 13 металлического корпуса 3. Также во внутренней части металлического корпуса 3 расположен поглотитель 7 с установленной на нем диэлектрической вставкой 6, при этом в металлическом корпусе 3 и в диэлектрической подложке 2 имеются технологические отверстия 5 для возможности установки антенны на объект-носитель.The uneven Archimedean spiral is connected with its ends on the outer diameter through resistors 8 to the outer conductive periphery 13 of the metal housing 3. Also in the inner part of the metal housing 3 there is an absorber 7 with a dielectric insert 6 installed on it, while in the metal housing 3 and in the dielectric substrate 2 there are technological openings 5 for the possibility of installing the antenna on the carrier object.

В трансформаторе сопротивлений с разъемом экран с фланцем обеспечивает заземление, центральная жила обеспечивает проход основного сигнала, коаксиально-волноводная линия обеспечивает изоляцию центральной жилы от экрана с фланцем.In a connector-type impedance transformer, the flanged shield provides grounding, the center core provides the main signal path, and the coaxial waveguide line provides insulation between the center core and the flanged shield.

Приемопередающий тракт предназначен для приема (передачи) в (из) него основного сигнала, а спираль антенны, запитанная трансформатором сопротивлений с разъемом, предназначена для приема (передачи) в (из) нее основного сигнала из окружающего пространства (или в окружающее пространство).The transmitting and receiving path is intended for receiving (transmitting) the main signal to (from) it, and the antenna spiral, fed by a resistance transformer with a connector, is intended for receiving (transmitting) the main signal to (from) it from the surrounding space (or into the surrounding space).

Слои поглотителя со строго определенным значением диэлектрической проницаемости ε предназначены для выравнивания электродинамических характеристик и параметров антенны во всем диапазоне частот от 1 ГГц до 18 ГГц, где нижняя частота 1 ГГц ограничивается диаметром спирали антенны, а диэлектрическая вставка со строго определенным значением диэлектрической проницаемости ε, установленная на слоях поглотителя, дополнительно выравнивает электродинамические характеристики и параметры антенны в нижнем диапазоне частот от 1 ГГц до 4 ГГц.Absorber layers with a strictly defined value of permittivity ε are intended to equalize the electrodynamic characteristics and parameters of the antenna in the entire frequency range from 1 GHz to 18 GHz, where the lower frequency of 1 GHz is limited by the diameter of the antenna spiral, and a dielectric insert with a strictly defined value of permittivity ε, installed on the absorber layers, additionally equalizes the electrodynamic characteristics and parameters of the antenna in the lower frequency range from 1 GHz to 4 GHz.

За счет соединения неравномерной Архимедовой спирали внешним диаметром через резисторы с внешней проводящей периферией металлического корпуса происходит заземление и нормализация коэффициента стоячей волны на нижних частотах антенны.By connecting the uneven Archimedean spiral with its outer diameter through resistors to the outer conductive periphery of the metal body, grounding and normalization of the standing wave ratio at lower frequencies of the antenna occurs.

Тем самым обеспечивается формирование сигнала с устойчивым значением диаграммы направленности, в том числе и на переходе границ изменения физических свойств электромагнитной волны с отсутствием дрейфа фазового центра по всему рабочему диапазону частот от 1 ГГц до 18 ГГц, что, в результате, приводит к сверхширокополосности (перекрытие диапазона частот составляет значение 18:1=18) и малогабаритности.This ensures the formation of a signal with a stable value of the directional diagram, including at the transition of the boundaries of change in the physical properties of the electromagnetic wave with the absence of drift of the phase center over the entire operating frequency range from 1 GHz to 18 GHz, which, as a result, leads to ultra-wideband (the frequency range overlap is 18:1=18) and small dimensions.

Малогабаритная сверхширокополосная спиральная антенна обеспечивает формирование сигнала с устойчивым значением диаграммы направленности, в том числе на переходе изменения физических свойств электромагнитной волны с отсутствием дрейфа фазового центра во всем рабочем диапазоне частот от 1 ГГц до 18 ГГц, обеспечивая сверхширокополосность и малогабаритность.The small-sized ultra-wideband helical antenna provides the formation of a signal with a stable value of the directional pattern, including at the transition of changes in the physical properties of the electromagnetic wave with the absence of phase center drift in the entire operating frequency range from 1 GHz to 18 GHz, providing ultra-wideband and small dimensions.

Claims (2)

1. Малогабаритная спиральная сверхширокополосная антенна, содержащая металлический корпус, в котором расположен трансформатор сопротивлений с разъемом, состоящий из экрана с фланцем, закрепленного к металлическому корпусу с помощи крепежных винтов, из центральной жилы, на которой расположена коаксиально-волноводная линия, вставленные в экран с фланцем, при этом один конец трансформатора сопротивлений с разъемом соединен с приемо-передающим трактом, а другой конец трансформатора сопротивлений с разъемом соединен со спиралью антенны через внутренний диаметр, отличающаяся тем, что спираль антенны выполнена в виде неравномерной Архимедовой спирали, расположенной на диэлектрической подложке, установленной в металлическом корпусе и зафиксированной с ним с помощью заклепок, а внутри металлического корпуса расположен поглотитель с установленной на нем диэлектрической вставкой, при этом неравномерная Архимедова спираль концами на внешнем диаметре через резисторы соединена с внешней проводящей периферией металлического корпуса.1. A compact spiral ultra-wideband antenna comprising a metal housing in which a resistance transformer with a connector is located, consisting of a screen with a flange secured to the metal housing using fastening screws, from a central core on which a coaxial waveguide line is located, inserted into the screen with a flange, wherein one end of the resistance transformer with a connector is connected to the receiving and transmitting path, and the other end of the resistance transformer with a connector is connected to the antenna spiral through an internal diameter, characterized in that the antenna spiral is made in the form of a non-uniform Archimedean spiral located on a dielectric substrate installed in the metal housing and fixed to it using rivets, and an absorber with a dielectric insert installed on it is located inside the metal housing, wherein the non-uniform Archimedean spiral is connected with its ends on the external diameter through resistors to the external conductive periphery of the metal housing. 2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что металлический корпус и диэлектрическая подложка имеют технологические отверстия для возможности установки антенны на объекте-носителе.2. An antenna according to item 1, characterized in that the metal housing and the dielectric substrate have technological openings to enable the installation of the antenna on the carrier object.
RU2024128220A 2024-09-24 Small-sized helical ultra-wideband antenna RU2843513C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2843513C1 true RU2843513C1 (en) 2025-07-14

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3192531A (en) * 1963-06-12 1965-06-29 Rex E Cox Frequency independent backup cavity for spiral antennas
US4387379A (en) * 1980-10-14 1983-06-07 Raytheon Company Radio frequency antenna
US4833485A (en) * 1985-05-17 1989-05-23 The Marconi Company Limited Radar antenna array
RU2422954C2 (en) * 2009-06-02 2011-06-27 Открытое акционерное общество "Центральное конструкторское бюро автоматики" Ultra-wideband helical antenna
RU214713U1 (en) * 2022-03-15 2022-11-11 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" (АО "НИИЭМ") Antenna attachment

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3192531A (en) * 1963-06-12 1965-06-29 Rex E Cox Frequency independent backup cavity for spiral antennas
US4387379A (en) * 1980-10-14 1983-06-07 Raytheon Company Radio frequency antenna
US4833485A (en) * 1985-05-17 1989-05-23 The Marconi Company Limited Radar antenna array
RU2422954C2 (en) * 2009-06-02 2011-06-27 Открытое акционерное общество "Центральное конструкторское бюро автоматики" Ultra-wideband helical antenna
RU214713U1 (en) * 2022-03-15 2022-11-11 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" (АО "НИИЭМ") Antenna attachment

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Vahdani M. Low-profile, ultra wideband and dual polarized antennas and feeding systems: дис. - Telecom ParisTech, 2008, раздел "The Sinuous Antenna in Dual Polarized Configuration". *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2531866C (en) Slotted cylinder antenna
US8669907B2 (en) Ultra-wideband miniaturized omnidirectional antennas via multi-mode three-dimensional (3-D) traveling-wave (TW)
US6137453A (en) Broadband miniaturized slow-wave antenna
CA2343729C (en) Circularly polarized dielectric resonator antenna
US6034648A (en) Broad band antenna
US4032921A (en) Broad-band spiral-slot antenna
EP2490295B1 (en) Antenna
KR101448053B1 (en) Three-dimensional spiral antenna and applications thereof
Zhekov et al. Modified biconical antenna for ultrawideband applications
RU2843513C1 (en) Small-sized helical ultra-wideband antenna
Pandi Ravichandran et al. On the design and analysis of a miniaturized ultra‐wideband (UWB) antenna using quatrefoil‐shaped nonuniform meta‐surfaces for body‐centric communications
RU2834214C1 (en) Small-size spiral broadband antenna
CN111313146A (en) Ultra-wideband dipole antenna
US9831554B2 (en) Antenna apparatus
CN210628484U (en) Ultra-wideband dipole antenna
CN113193357A (en) Planar spiral antenna for direction-finding equipment
Soodmand et al. Small antenna with stable impedance and circular polarization
Nakano et al. Metahelical antenna using a left-handed property
WO2008117898A1 (en) Broad band antenna
Gupta et al. Theory of Antennas, Its Advantage & Applications in Communication Systems
Jadon et al. Analysis of harmonics and their mitigation for a tuned cylindrical monopole antenna
CN220527192U (en) Four-arm helical antenna
Guraliuc et al. Parasitic current reduction on electrically long coaxial cables feeding dipoles of a collinear array
US11417958B2 (en) Omnidirectional quad-loop antenna for enhancing Wi-Fi signals
US10862213B1 (en) Omnidirectional quad-loop antenna for enhancing Wi-Fi signals