Логопериодическая резонаторная антенна

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве направленной УКВ приемно - передающей антенны, защищенной от воздействия ударных и вибрационных нагрузок. Целью изобретения является разработка логопериодической резонаторной антенны, обладающей более высоким коэффициентом усиления. Антенна состоит из линейной решетки щелевых излучателей 1, вырезанных в стенках резонаторов 2. Каждый резонатор выполнен в виде усеченного конуса с секторным вырезом с углом α . Кромки выреза связаны с плоскими металлическими поверхностями 4. Усеченные конусы выполнены из полного конуса 3, ось которого совмещена с общей кромкой поверхностей 4. Резонаторы возбуждаются питающей линией 9, к которой через трубчатые проводники 14 подключены возбудители 15. Приведены соотношения размеров конструкции, при которых достигается максимальный коэффициент усиления и КПД антенны. 2 з. п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, в частности, логопериодическая резонаторная антенна (ЛПРА) может быть использована в качестве направленной ультракоротковолновой приемно-передающей антенны, защищенной от воздействия ударных и вибрационных нагрузок.

Известны логопериодические антенны, которые могут быть использованы в качестве защищенных антенн ультракоротковолнового диапазона (см. например, под ред. Бененсона Л.С. Сверхширокополосные антенны. М. Мир 1964, с. 329 - 335, 342). Однако известные аналоги обладают малой механической прочностью, низкой эффективностью при погружении в диэлектрик для защиты их от механических воздействий.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является ЛПРА по патенту США N 4594595, 1986. Антенна-прототип представляет собой линейную решетку излучателей, выполненную в виде резонаторов, апертуры которых установлены в одной плоскости. В раскрыве каждого резонатора установлена металлическая пластина, связывающая резонатор с возбуждающей линией. Возбуждающая линия представляет собой проводник, размещенный над апертурами излучателей вдоль оси антенной решетки. К возбуждающей линии со стороны наименьшего резонатора подключен фидер, а на другом конце включена активная согласованная нагрузка. Антенна может использоваться как низкопрофильная на плоских поверхностях. Отношение двух соседних резонаторов, а также отношение интервалов между одноименными элементами излучателей, примыкающих друг к другу, постоянно.

Однако антенна-прототип обладает недостатками: установка возбуждающей линии вне полости резонаторов приводит к снижению КПД и коэффициента усиления (КУ) антенны из-за слабой связи возбуждающей линии с резонаторами; наличие относительно слабой в механическом отношении возбуждающей линии и наличие изолированных от общей конструкции элементов (пластины в апертурах резонаторов) делают антенну нестойкой к воздействию механических нагрузок.

Целью данного изобретения является разработка ЛПРА, обладающей более высоким КУ, повышенной устойчивостью конструкции к механическим воздействиям (ударным, вибрационным) и стабильностью электрических параметров в условиях воздействия гидрометеоров.

Поставленная цель достигается тем, что в известной ЛПРА, включающей линейную решетку щелевых излучателей, вырезанных в стенках резонаторов, в которой соотношение геометрических размеров n-го и n + 1-го (n 1, 2, 3.) резонаторов, щелевых излучателей и соотношение расстояний вдоль продольной оси линейной решетки между центрами от n-го до n 1-го и от n-го до n + 1-го щелевых излучателей постоянно, питающую линию, содержащую проводник, подключенный одним концом к активному сопротивлению, равному волновому сопротивлению питающей линии, а другим к центральному проводнику коаксиального фидера, каждый резонатор выполнен в виде усеченного конуса с секторным вырезом с углом α Кромки оснований усеченного конуса, образованные секторным вырезом, электрически связаны с плоским металлическими поверхностями, установленными под углом a одна к другой.

Усеченные конусы выполнены из полного конуса, ось которого совмещена с общей кромкой плоских металлических поверхностей. Щелевые излучатели вырезаны в боковой поверхности усеченных конусов симметрично относительно плоскости симметрии этих конусов. Нижние кромки щелевых излучателей совмещены с плоскими металлическими поверхностями, причем в каждом n-м резонаторе ширина щелевого излучателя равна расстоянию между основаниями образующего его усеченного конуса. Проводник питающей линии установлен параллельно оси конуса на расстоянии w от нее. Один конец этого проводника пропущен через отверстие в большем основании наибольшего резонатора и подключен к активному сопротивлению. Другой конец проводника пропущен через отверстие в меньшем основании наименьшего резонатора и подключен к центральному проводнику коаксиального фидера. Экранная оболочка коаксиального фидера электрически связана с металлической поверхностью, образующей стенки резонаторов. В полости каждого n -го резонатора с диэлектрическим зазором к его основаниям и коаксиально проводнику питающей линии установлен трубчатый проводник. К трубчатому проводнику подключена пара вибраторов в виде разомкнутых емкостных петель с периметром P_n каждая. Вибраторы ориентированы таким образом, что их проекция на апертуры соответствующих щелевых излучателей перпендикулярны их продольным кромкам и пересекают середину апертуры. Размеры элементов конструкции наибольшего резонатора выбраны из условий: радиус большего основания r_max1 (0,3.0,45)l_max; радиус меньшего основания r_min1 (0,75.0,9)r_max1; ширина щелевого излучателя b_щ1 (0,25.0,35)(r_max1 - r_min1); периметр разомкнутой емкостной петли P₁ (0,4.0,5) λ_max, где λ_max максимальная длина волны рабочего диапазона волн.

Угол α между плоскими металлическими поверхностями составляет 20^o.60^o. Угол v_щ между радиусами основания усеченного конуса, проведенными к узким кромкам щелевого излучателя выбран в пределах ϕ_щ 100^o130^o. Расстояние ω между продольной осью полного конуса и проводником питающей линии соотносится с диаметром d₁ этого проводника как w/d₁ 2.3.

В случае заполнения полостей резонаторов диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r радиус большего основания наибольшего резонатора выбран из условия Указанная новая совокупность существенных признаков обеспечивает формирование диаграммы направленности в сторону меньших резонаторов. Применение эффективных петлевых элементов связи повышает КУ и КПД антенны. В конструкции отсутствуют изолированные от корпуса элементы и нет элементов, выступающих за пределы апертур излучателей. Отмеченное обуславливает высокую механическую прочность и устойчивость к воздействию гидрометеоров, достигается сваливание с конструкции возможного навала грунта.

Заявленное устройство поясняется чертежами, где на фиг.1, 2 показан общий вид антенны и ее сечения; на фиг.3, 4 элементы конструкции; на фиг.5 - результаты экспериментальных исследований.

Логопериодическая резонаторная антенна, показанная на фиг.1, включает линейную решетку щелевых излучателей 1, вырезанных в стенках резонаторов 2, установленных вдоль общей продольной оси OO' конуса 3. Каждый резонатор 2 выполнен в виде усеченного конуса с секторным вырезом с углом α Основания каждого n-го резонатора имеют соответственно радиусы (см. также фиг. 3). Плоские металлические поверхности 4, установленные по углом α друг к другу, электрически связаны с кромками оснований 5 и 6 усеченного конуса, образованными секторным вырезом. Усеченные конусы выполнены из полного конуса 3, ось которого OO' совмещена с общей кромкой 8 плоских металлических поверхностей 4. Щелевые излучатели 1 вырезаны в боковой поверхности каждого усеченного конуса симметрично относительно плоскости симметрии этих конусов. Ширина щелевого излучателя в каждом n-м резонаторе равна расстоянию между основаниями 5 и 6 резонаторов. Нижние кромки 7 щелевых излучателей 1 совмещены с плоскими металлическими поверхностями 4.

Проводник 9 питающей линии с эквивалентным диаметром d, установлен параллельно продольной оси OO' полного конуса (кромке 8) на удалении ω от нее. Форма поперечного сечения проводника 9 может быть произвольной. На фиг.1, 2, 3, 4 этот проводник показан с круглым сечением. Для проводника, имеющего круглое сечение, эквивалентный диаметр d₁ равен истинному диаметру. Для проводника, имеющего отличное от круглого сечение, эквивалентный диаметр d₁ расчитывается по известным формулам (см. например, Емелин В.Ф. Фильтры на связанных линиях. Л. ВАС 1969). Один конец проводника 9 пропущен через отверстие 10 с диаметром d₂ в большем основании наибольшего резонатора и подключен к активному сопротивлению 11, равному волновому сопротивлению питающей линии, которое составляет 100.300 Ом. Другой конец этого проводника пропущен через отверстие 12 в меньшем основании наименьшего резонатора и подключен к центральному проводнику коаксиального фидера 13 (см. фиг.2). Экранная оболочка коаксиального фидера 13 электрически связана с металлической поверхностью 4 или 3. В пределах каждого n-го резонатора коаксиально с проводом питающей линии установлен трубчатый проводник 14 длиной с внутренним диаметром d₃ (см. фиг.3). Торцы трубчатого проводника 14 не имеют электрического контакта с основаниями усеченного конуса 5, 6.

К трубчатому проводнику 14 подключена пара вибраторов 15, которые представляют собой разомкнутые емкостные петли с периметром R_n каждая. Конфигурация петель может быть произвольной: полукруглой, полуэлептической, П-образной, Г-образной или другой аналогичной формы. Важно, чтобы часть петли была параллельна соответствующему основанию резонатора. На фиг.1, 2, 3, 4 приведен частный случай: незамкнутый контур. Каждый из проводников 15 с диаметром d₄ одним концом подключен к трубчатому проводнику 14, а второй их конец не имеет электрического контакта со стенками резонатора.

Проекция каждой петли на апертуру соответствующего щелевого излучателя перпендикулярна его продольным кромкам, пересекает середину апертуры (т.е. в сечении ϕ_щ/2 см. фиг. 4) и составляет не менее 0,75.0,95 от ширины щели. Минимальное расстояние проводника петли 15 от внутренней поверхности соответствующего основания резонатора должно составлять (2.10)d₄. Соединение вибраторов 15 с трубчатым проводником 14 должно быть в средней трети последнего. В отверстия 10 в основаниях резонаторов могут быть вставлены диэлектрические втулки, с целью фиксации трубчатого проводника 14 и проводника 9 питающей линии. Соотношение геометрических размеров n-го и n+1-го резонаторов и расстояний вдоль продольной оси полного конуса между одноименными элементами от n-го до n+1-го и от n-го до n-1-го резонаторов постоянно, т.е.

где соответственно ширина n-й излучающей щели, радиусы большего и меньшего оснований резонатора, R_n расстояние между серединами примыкающих друг к другу резонаторов вдоль оси конуса τ период структуры антенны. Расстояние w между проводником 9 питающей линии и кромкой 8 выбирается таким образом, чтобы образованная ими питающая линия имела волновое сопротивление в 1,5 2 раза больше, чем входное сопротивление резонатора на минимальной рабочей частоте. Для придания жесткости конструкции полости всех резонаторов и антенны в целом могут быть заполнены диэлектриком с диэлектрической проницаемостью e_r.
При известных размерах элементов конструкции наибольшего резонатора и заданных параметрах логопериодической структуры τ и σ, размеры остальных резонаторов определяет по известным правилам, изложенным, например, в книге В.Рамзей. Частотно-независимые антенны. М. Мир, 1968, с.85 95, т.е.

Аналогично рассчитывают и остальные размеры.

Заявленное устройство работает следующим образом. При подключении возбуждающей ЭДС со стороны меньших резонаторов вдоль питающей линии распространяется электромагнитная волна. Резонатор, являющийся на данной частоте резонансным, возбуждается через вибраторы 15 наиболее эффективно. С меньшей эффективностью возбуждаются и резонаторы, примыкающие с двух сторон к резонансному, которые вместе с резонансным образуют активную зону антенны. При переходе на более высокие (низкие) частоты активная зона в соответствии с принципом электродинамического подобия смещается соответственно в сторону меньших (больших) резонаторов, обеспечивая тем самым сохранение электрических характеристик в диапазоне рабочих частот.

Однонаправленное излучение вдоль оси OO' решетки щелевых излучателей 1 в сторону меньших резонаторов достигается за счет запаздывания фазы возбуждающего тока предыдущего элемента в активной зоне антенны.

Для обоснованного определения соотношения размеров элементов конструкции антенны и возможности реализации поставленной цели был изготовлен макет заявленной антенны. Резонаторы выполнены из белой жести толщиной 0,5 мм и заполнены диэлектриком ε_r` 4. Антенна включала 5 резонаторов и имела период структуры τ 0,85. В ходе отработки конструкции было установлено, что поставленная цель реализуется, если радиус большего основания наибольшего резонатора составляет (0,3.0,45) λ_max а радиус его меньшего основания (0,75.0,9) Ширина щелевого излучателя в наибольшем резонаторе составляет (0,25.0,35) (r_max r_min). Угол ϕ_щ выбирается в пределах ϕ_щ 100^oC. 130^o. Наилучшие условия возбуждения достигается при выборе периметра P₁ разомкнутой емкостной петли в наибольшем резонаторе в пределах P₁ (0,4.0,5) λ_max Параметры питающей линии, то есть диаметр проводника d₁, его удаление от продольной оси полного конуса (кромки 8) ω расчитываются по известным методикам, изложенным, например, в книге под ред. Бененсона Л.С. Сверхширокоплостные антенны. М. Мир, 1964 с.309 311 с учетом требуемого качества ее согласования с коаксиальным фидером и величины мощности, подводимой к антенне. В частности, в опытном образце заявляемой антенны цилиндрический проводник 9 отстоял от кромки 8 на расстояние w (2.3)d₁, диаметр отверстий в основаниях резонаторов d₂ был принят равным d₂ 3d₁. Трубчатый проводник 14 имел внутренний диаметр d₃ 1,67d₁ и толщину стенок 1 мм. В случае заполнения резонаторов диэлектриком, приведенные соотношения остаются неизменными. Однако при этом необходимо учесть укорочение длины волны, т.е. в выражениях, куда входит l_max, ее нужно разделить на Например,
С учетом определенных оптимальных соотношений макет, расчитанный для работы, начиная с минимальной частоты, равной 250 мГц, имеет размеры, приведенные в таблице.

В качестве диэлектрика использовался гитенакс с ε_r 4. Размеры остальных резонаторов легко расчитываются с учетом выбранного конструктивного параметра антенны τ 0,85 по известным методикам, изложенным, например, в книге "Сверхширокополостные антенны" под ред. Бененсона Л.С.

При использовании антенны необходимо устанавливать ее так, чтобы высота H между нижней кромкой наибольшего резонатора и поверхностью, на которой установлена антенна, составляла не менее 0,65 λ_max
На фиг.5 приведены результаты экспериментальных измерений параметров описанного макета, подтверждающие возможность формирования заданной диаграммы направленности и достижения согласования на уровне КБВ не ниже 0,5.

Формула изобретения

1. Логопериодическая резонаторная антенна, включающая линейную решетку щелевых излучателей, вырезанных в стенках резонаторов, в которой соотношение геометрических размеров n-го и n + 1-го (n 1, 2, 3.) резонаторов, щелевых излучателей и соотношение расстояний вдоль продольной оси решетки между центрами от n-го до n 1-го и от n-го до n + 1-го щелевых излучателей постоянно, питающую линию, содержащую проводник, подключенный одним концом к активному сопротивлению, равному волновому сопротивлению питающей линии, а другим к центральному проводнику коаксиального фидера, отличающаяся тем, что каждый резонатор выполнен в виде усеченного конуса с секторным вырезом с углом α, кромки оснований усеченного конуса, образованные секторным вырезом, электрически связаны с плоскими металлическими поверхностями, установленными под углом α одна к другой, усеченные конусы выполнены из полного конуса, ось которого совмещена с общей кромкой плоских металлических поверхностей, щелевые излучатели вырезаны в боковой поверхности усеченных конусов симметрично относительно плоскости симметрии этих конусов так, что нижняя кромка щелевых излучателей совмещена с плоскими металлическими поверхностями, причем в каждом n-м резонаторе ширина щелевого излучателя равна расстоянию между основаниями образующего его усеченного конуса, проводник питающей линии установлен параллельно продольной оси конуса на расстоянии w от нее, один конец этого проводника пропущен через отверстие в большем основании наибольшего резонатора и подключен к активному сопротивлению, а другой пропущен через отверстие в меньшем основании наименьшего резонатора и подключен к центральному проводнику коаксиального фидера, экранная оболочка которого электрически соединена с металлической поверхностью, образующей стенки резонаторов, кроме того, в полости каждого n-го резонатора с диэлектрическими зазорами к его основаниям и коаксиально проводнику питающей линии установлен трубчатый проводник с подключенной к нему парой вибраторов в виде разомкнутых емкостных петель с периметром P_n каждая, причем вибраторы установлены симметрично относительно оси конуса, а их проекции на апертуру соответствующего щелевого излучателя перпендикулярны его продольным кромкам и пересекают середину апертуры.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что радиусы большего r_max1 и меньшего r_min1 оснований, ширина щелевого излучателя b_щ1 и периметр разомкнутой емкостной петли Р₁ наибольшего резонатора выбраны из условий
r_max1= (0,3 - 0,45)λ_max,
r_min1 (0,75 0,9)r_max1,
b_щ1 (0,25 0,35) (r_max1 r_min1),
P₁ = (0,4 - 0,5)λ_max,
где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн, угол α между плоскими металлическими поверхностями составляет α = 20 - 60°, угол ϕ_щ между радиусами основания усеченного конуса, проведенными к узким кромкам щелевого излучателя, выбран в пределах ϕ_щ = 100 - 130°, а расстояние ω между продольной осью полного конуса и проводником питающей линии соотносится с диаметром d₁ последнего, как w/d₁ = 2 - 3.
3. Логопериодическая резонаторная антенна по п.1 и/или 2, отличающаяся тем, что внутренние полости всех резонаторов заполнены диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r, а радиус большего основания наибольшего резонатора выбран из условия м

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6