Логопериодическая антенна

 

Изобретение относится к области антенной техники и предназначено для использования в радиотехнических системах различного назначения, в частности в качестве сверхширокополосной направленной антенны, устанавливаемой на подвижных объектах. Техническим результатом изобретения является расширение верхней частотной границы рабочего диапазона и упрощение конструкции. Логопериодическая антенна содержит антенное полотно, выполненное из вертикальных несимметричных вибраторов, расположенных над плоским металлическим экраном, и несимметричную полосковую линию питания. Соединение вибраторы осуществляют попеременно. Возбуждение несимметричной полосковой линии от сигнал-генератора осуществляется в вершине логопериодической антенны непосредственно либо посредством коаксиального кабеля. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области антенной техники и предназначено для использования в радиотехнических системах различного назначения, в частности в качестве сверхширокополосной направленной антенны, устанавливаемой на подвижных объектах и предназначенной для работы на ходу.

Известны логопериодические антенны [1], состоящие из ряда вертикальных несимметричных вибраторов, расположенных над плоским металлическим экраном и прикрепленных к горизонтальному проводнику, который вместе со своим зеркальным изображением образует линию передачи. Для обеспечения противофазной запитки соседних вибраторов к этому проводнику в точках, являющихся средними геометрическими между положениями соседних вибраторов, прикреплены горизонтальные стержни, образующие вместе со своими зеркальными изображениями разомкнутые на конце линии передачи - шлейфы, либо включены последовательные LC-контуры, резонансные частоты которых равны резонансным частотам соответствующих шлейфов.

Существенным их недостатком является низкий коэффициент усиления и сложность конструкции.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранная в качестве прототипа логопериодическая антенна [2], содержащая антенное полотно, выполненное из вертикальных несимметричных вибраторов, расположенных над плоским металлическим экраном, длины которых и расстояния между ними изменяются вдоль антенны согласно принципу логарифмической периодичности, и подключенных к линии питания. С целью повышения коэффициента усиления и упрощения конструкции линия питания этой логопериодической антенны выполнена из отрезков коаксиальной линии, размещенных соосно, длины которых изменяются пропорционально длинам вибраторов, которые подключены к серединам центральных проводников этих отрезков через отверстия, выполненные в экранных проводниках, при этом центральные проводники отрезков коаксиальной линии размещены на высоте 0,01-0,02 средней длины волны над плоским металлическим экраном, а их концы подключены к торцам экранных проводников смежных отрезков коаксиальной линии.

Существенными ее недостатками являются наличие верхней частотной границы применимости, относительная сложность и низкая жесткость конструкции. В диапазоне частот свыше 100 МГц эта логопериодическая антенна теряет работоспособность, что обусловлено возрастающим с ростом частоты влиянием неоднородностей, образующихся в местах перекрестного соединения проводников отрезков коаксиальной линии.

Техническая задача изобретения - расширение верхней частотной границы рабочего диапазона и упрощение конструкции.

Задача достигается тем, что в известной логопериодической антенне, содержащей антенное полотно, выполненное из вертикальных несимметричных вибраторов, расположенных над плоским металлическим экраном, длины которых и расстояние между ними изменяются вдоль антенны согласно принципу логарифмической периодичности, и подключенных к линии питания, согласно изобретению линия питания выполнена в виде несимметричной полосковой линии, заземляющей пластиной которой является плоский металлический экран, а вертикальные несимметричные вибраторы расположены вдоль продольной оси ее проводника и попеременно соединены с проводником непосредственно и заземляющей пластиной через отверстия, выполненные в проводнике, при этом волновое сопротивление несимметричной полосковой линии Z₀ выбирается из условия где R₀ - входное сопротивление логопериодической антенны, Z_a - волновое сопротивление вертикального несимметричного вибратора, τ - период логопериодической антенны, α - угол раствора логопериодической антенны.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемая логопериодическая антенна отличается новым выполнением линии питания и способом соединения с ней вертикальных несимметричных вибраторов - линия питания выполнена в виде несимметричной полосковой линии, заземляющей пластиной которой является плоский металлический экран, а вертикальные несимметричные вибраторы расположены вдоль продольной оси ее проводника и попеременно соединены с проводником непосредственно и заземляющей пластиной через отверстия, выполненные в проводнике, при этом волновое сопротивление несимметричной полосковой линии Z₀ выбирается из условия обеспечивающего требуемое входное сопротивление R₀ логопериодической антенны при выбранных значениях ее угла раствора α, периода τ и волнового сопротивления вертикальных несимметричных вибраторов Z₀.

Таким образом, изобретение соответствует критерию "новизна".

Анализ известных технических решений в известной области и смежной с ней позволяет сделать вывод, что несимметричная полосковая линия известна, однако введение ее в качестве линии питания логопериодической антенны с вертикальными несимметричными вибраторами с указанным волновым сопротивлением Z₀ и способом соединения с ней вертикальных несимметричных вибраторов обеспечивают устройству такие новые качества, как повышение верхней частотной границы рабочего диапазона частот, упрощение и повышение жесткости конструкции, т.е. обеспечивает получение положительного эффекта.

Изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Изобретение является промышленно применимым, так как оно может быть использовано в различных областях народного хозяйства.

На чертеже представлен общий вид логопериодической антенны, где: 1 - вертикальные несимметричные вибраторы; 2 - плоский металлический экран; 3 - несимметричная полосковая линия; 4 - проводник несимметричной полосковой линии; 5 - отверстия, выполненные в проводнике несимметричной полосковой линии;
α - угол раствора логопериодической антенны.

Логопериодическая антенна содержит антенное полотно, выполненное из вертикальных несимметричных вибраторов 1, длина которых и расстояние между ними изменяются вдоль антенны согласно принципу логарифмической периодичности с периодом τ<1, расположенных над плоским металлическим экраном 2, и несимметричную полосковую линию 3, состоящую из проводника 4 и заземляющей пластины, роль которой выполняет плоский металлический экран 2. Вертикальные несимметричные вибраторы 1 расположены вдоль продольной оси проводника 4 и попеременно соединены с проводником 4 непосредственно и плоским металлическим экраном 2 через отверстия 5, выполненные в проводнике 4. Линия, соединяющая вершины вертикальных несимметричных вибраторов 1, образует с продольной осью проводника 4 угол раствора α логопериодической антенны.

Логопериодическая антенна работает следующим образом.

Сигнал-генератор, включенный в вершине логопериодической антенны между плоским металлическим экраном 2 и проводником 4 несимметричной полосковой линии 3, возбуждает в последней ТЕМ-волну. Возбуждение несимметричной полосковой линии 3 от сигнал-генератора может осуществляться непосредственно, как указано выше, либо коаксиальным кабелем через коаксиально-полосковый переход. При этом центральная жила кабеля замыкается на проводник 4, а внешняя - на плоский металлический экран 2.

Несимметричная полосковая линия 3, нагруженная вертикальными несимметричными вибраторами 1, эквивалентна линии с параллельно включенными проводимостями. Если у вертикальных несимметричных вибраторов 1, расположенных вблизи вершины логопериодической антенны, резонансные частоты намного превышают частоту сигнал-генератора, то эквивалентные им проводимости малы и носят реактивный характер. В результате нагрузка несимметричной полосковой линии 3 приводит на этом участке лишь к небольшому замедлению распространяющейся волны. По мере распространения волны вдоль логопериодической антенны и приближения ее к так называемой "активной области", где резонансная частота вертикальных несимметричных вибраторов 1 близка к частоте сигнал-генератора, шунтирующие проводимости возрастают и все больше и больше влияют на распространяющуюся в несимметричной полосковой линии 3 волну. В "активной области" эквивалентная проводимость очень велика по отношению к волновой проводимости несимметричной полосковой линии 3 и носит активный характер, поэтому энергия от несимметричной полосковой линии 3 переходит в вертикальные несимметричные вибраторы 1 и излучается ими. Остальная часть логопериодической антенны, находящаяся за пределами "активной области", фактически не влияет на ее работу. При изменении частоты сигнал-генератора "активная область" перемещается вдоль логопериодической антенны, обеспечивая ей широкополосность. При этом энергия от сигнал-генератора будет полностью передаваться в "активную область" и излучаться, если входное сопротивление R₀ логопериодической антенны согласовано с выходным сопротивлением R_cг сигнал-генератора. При заданных параметрах логопериодической антенны τ,α,Z_a и R₀ наилучшее согласование достигается при выполнении несимметричной полосковой линии 3 с волновым сопротивлением ₀, равным

Поскольку относительные фазы токов в соседних вертикальных несимметричных вибраторах 1, обусловленные как их расположением вдоль несимметричной полосковой линии 3, так и резонансными частотами будут стремиться к 180^o, то излучаемые ими поля будут складываться в точке приема в противофазе. Попеременное соединение вертикальных несимметричных вибраторов 1 с проводником 4 непосредственно и плоским металлическим экраном (заземляющей пластиной) 2 несимметричной полосковой линии 3 через отверстия, выполненные в проводнике 4, обеспечивает токам соседних вертикальных несимметричных вибраторов необходимый дополнительный сдвиг фаз 180^o. В результате обеспечивается синфазное сложение полей в точке приема и формирование неискаженной однонаправленной диаграммы направленности в широкой полосе рабочих частот. При этом по сравнению с прототипом верхняя граничная частота рабочего диапазона логопериодической антенны значительно повышается и может практически простираться до тех пор, пока длина самого короткого вертикального несимметричного вибратора 1 не станет соизмеримой с расстоянием от верхней кромки проводника 4 до плоского металлического экрана 2. Кроме того, попеременное крепление вертикальных несимметричных вибраторов 1 к проводнику 4 и плоскому металлическому экрану 2 значительно упрощает конструкцию логопериодической антенны и повышает ее жесткость.

Результаты макетирования и экспериментального исследования подтвердили положительный эффект предложенного технического решения. В процессе макетирования изготовлен макет логопериодической антенны на диапазон рабочих частот (0,1-1) ГГц со следующими конструктивными параметрами: период логопериодической структуры τ = 0,91; угол при вершине (угол раствора) α = 15°; среднее значение отношения длины вертикального несимметричного вибратора к его диаметру (1/d)_cp= 40, при этом d_макс =6 мм. Проводник несимметричной полосковой линии выполнен прямоугольного сечения шириной S=12 мм и толщиной Т=6 мм. Диаметр отверстия в проводнике несимметричной полосковой линии превышал диаметр соответствующего ему вертикального несимметричного вибратора на 1 мм. Крепление проводника несимметричной полосковой линии над плоским металлическим экраном осуществлялось с помощью болтов и диэлектрических втулок, а крепление вертикальных несимметричных вибраторов с помощью резьбовых соединений.

Измеренные значения электрических характеристик макета логопериодической антенны (КСВн≤2,5, среднее значение коэффициента усиления G≈5 дБ, средняя ширина диаграммы направленности в азимутальной плоскости 2Θ ≈ 85°¹) близки к теоретическим значениям. При этом не отмечено заметных ухудшений электрических характеристик логопериодической антенны с ростом частоты, что дает основание полагать о возможности расширения ее рабочего диапазона в область более высоких частот.

Источники информации
1. Сверхширокополосные антенны / Под ред. А.С. Бененсона. М.: Мир, 1964, с.341-351.

2. Авторское свидетельство SU 1450021, кл. Н 01 Q 11/10, 1989 / Серков В.П. и др. Логопериодическая антенна.

Формула изобретения

Логопериодическая антенна, содержащая антенное полотно, выполненное из вертикальных несимметричных вибраторов, расположенных над плоским металлическим экраном, длины которых и расстояния между ними изменяются вдоль антенны согласно принципу логарифмической периодичности, и подключенных к линии питания, отличающаяся тем, что линия питания выполнена в виде несимметричной полосковой линии, заземляющей пластиной которой является плоский металлический экран, а вертикальные несимметричные вибраторы расположены вдоль продольной оси ее проводника и попеременно соединены с проводником непосредственно и заземляющей пластиной через отверстия, выполненные в проводнике, при этом волновое сопротивление несимметричной полосковой линии Z_o выбирается из условия

где R_o - входное сопротивление логопериодической антенны;
Z_a - волновое сопротивление вертикального несимметричного вибратора;
τ - период логопериодической антенны;
α - угол раствора логопериодической антенны.

РИСУНКИ

Рисунок 1