логопериодическая вибраторная антенна

Формула изобретения

Логопериодическая антенна, состоящая из множества компланарных излучателей, имеющих форму диполей, расположенных параллельно друг другу и присоединенных к симметричному двухпроводному фидеру, внешние концы диполей ограничены непрерывной кусочно-ломаной линией с постоянными в пределах каждого прямого участка линии углом наклона и периодом логопериодической структуры t, причем расстояния между диполями и отношение длин диполей к их радиусам выбраны так, что входное сопротивление антенны постоянно в диапазоне рабочих частот, отличающаяся тем, что периоды логопериодической структуры соседних участков антенны с различными углами наклона выбраны строго определенными и связаны между собой соотношением

_k+1= ⁿ_k,

где n целое число, большее или равное двум (n 2);

k 1, 2, 3, N 1 номер участка антенны при начале отсчета от участка с наименьшей длиной диполей;

N количество участков антенны с различными углами .

Описание изобретения к патенту

Логопериодическая вибраторная антенна относится к области антенной техники и предназначена для использования в радиотехнических системах различного назначения.

Известны логопериодические вибраторные антенны (ЛПВА) (Сверхширокополосные антенны / Под ред. Л.С.Бененсона. М. Мир, 1964; а.с. СССР 197236, кл.24 а⁴ 46/05, 1961; патент ГДР 34357, кл. Н01Q 11/10, публ. 15.01.1965).

В книге "Сверхширокополосные антенны" описана логопериодическая антенна, представляющая собой ряд излучателей, имеющих форму диполей, расположенных параллельно друг другу и присоединенных к симметричному двухпроводному фидеру так, что излучение осуществляется в направлении наименьшего диполя. Длина вибраторов и расстояние между ними изменяются в геометрической прогрессии со знаменателем <1 Шаг логопериодической структуры () представляет собой расстояние в длинах волн между полуволновым и соседним, меньшим вибратором. Величина для ЛПВА постоянна и связана с показателем геометрической прогрессии t соотношением



где угол между осью антенны и линией, проходящей через концы вибраторов.

Существенными недостатками ЛПВА, ограничивающими ее применение в метровом и нижней части дециметрового диапазонов волн, являются большой вес и габариты, не позволяющие в полной мере реализовать на практике ее сверхширокополосные свойства. Это обусловлено тем, что постоянный, вдоль всей системы, шаг логопериодической структуры s обеспечивающий постоянство коэффициента усиления и других параметров антенны во всем частном диапазоне, выбирается исходя из условия обеспечения необходимого коэффициента усиления на верхней граничной частоте рабочего диапазона, что обусловлено необходимостью скомпенсировать возрастающие с ростом частоты потери как при распространении радиоволн, так и в целях питания антенны. В то же время величина необходимого коэффициента усиления на верхней граничной частоте превышает величину необходимого коэффициента усиления, на нижней граничной частоте рабочего диапазона в (F_в/F_н)² раз, где F_в; F_н - верхняя и нижняя граничные частоты рабочего диапазона соответственно. Следовательно, постоянство s и, как следствие, постоянство коэффициента усиления (КУ) в рабочем диапазоне частот антенны обусловливает его избыточность на нижней граничной частоте. Поскольку габариты и вес антенны связаны прямой зависимостью с КУ, это приводит к неоправданно большим габаритам антенны.

В авторском свидетельстве СССР 147236 с целью уменьшения габаритов логопериодической антенны, при сохранении КУ на верхней граничной частоте, предложено выполнять ее структуру с переменным углом раствора a Однако при этом скорость изменения a и, следовательно, степень сокращения габаритов антенны ограничены изменением входного сопротивления, связанного с углом определенным соотношением (см. Сверхширокополосные антенны, с. 310), а также искажением формы диаграммы направленности и увеличением уровня бокового излучения вследствие расфазировки антенны.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранная в качестве прототипа антенна, описанная в патенте ГДР 34357, содержащая множество компланарных излучателей, имеющих форму диполей, расположенных параллельно друг другу и присоединенных к симметричному двухпроводниковому фидеру так, что излучение осуществляется в направлении наименьшего диполя, а внешние концы диполей ограничены непрерывной кусочно-ломаной линией с постоянными в пределах каждого прямого участка линии углом наклона a и периодом логопериодической структуры t причем расстояния между диполями и отношения длин диполей и их радиусом выбраны так, что входное сопротивление постоянно в диапазоне рабочих частот. По сути такая антенна состоит из ряда отдельных участков со стыкующимися граничными частотами, причем каждый из них представляет собой отдельную логопериодическую структуру со своими параметрами a и t.

Однако наличие искажений формы диаграммы направленности (ДН) и роста уровня бокового излучения на стыкующихся граничных частотах и вблизи их ограничивает ее применение. Искажение ДН обусловлено расфазировкой диполей в активных областях, охватывающих места стыков антенны с различными углами a. Для логопериодических антенн характерно наличие активной области, включающей, как правило, резонансный диполь и 2 3 диполя слева и справа от резонансного. В местах стыка активная область охватывает часть диполей одного участка и часть из другого участка антенны. Так как при этом каждый из участков антенны имеет свои значения a и t, то это приводит к расфазировке диполей, лежащих вблизи стыка, и, как следствие, к искажению формы диаграммы направленности.

Техническая задача заключается в сохранении формы диаграммы направленности и уровня бокового излучения антенны в рабочем диапазоне частот.

Указанная задача достигается тем, что в известном устройстве, состоящем из множества компланарных излучателей, имеющих форму диполей, расположенных параллельно друг другу и присоединенных к симметричному двухпроводному фидеру, внешние концы которых ограничены непрерывной кусочно-ломаной линией с постоянными в пределах каждого прямого участка линии углом наклона a и периодом логопериодической структуры t, причем расстояния между диполями и отношение длин к их радиусам выбраны так, что входное сопротивление антенны постоянно в диапазоне рабочих частот, согласно изобретению, периоды логопериодической структуры соседних участков антенны с различными углами наклона выбраны строго определенными и связаны между собой соотношением

_k+1= ⁿ_k,

где n целое число, большее или равное двум (n2);

k= (1, 2, 3, N-1) номер участка антенны при начале отсчета от участка с наименьшей длиной диполя;

N количество участков антенны с различными углами .

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая антенна ЛПВА соответствует критерию "новизна" и отличается наличием новых связей - периоды логопериодической структуры соседних участков антенны с различными углами наклона a выбраны строго определенными в соответствии с соотношением

_k+1= ⁿ_k,

где n целое число, большее или равное 2 (n2);

k= (1, 2, 3, N-1) номер участка антенны при начале отсчета от участка с наименьшей длиной диполей;

N количество участков антенны с различными углами .

Анализ известных технических решений в известной области и смежной с ней позволяет сделать вывод, что выполнение соседних участков логопериодической структуры с определенным периодом известно. Однако периоды логопериодической структуры соседних участков с различными углами наклона a выбраны строго определенными в соответствии с соотношением _k+1= ⁿ_k, что обеспечивает устройству такое новое свойство, как сохранение формы диаграммы направленности и уровня боковых лепестков в рабочем диапазоне частот.

Изобретение имеет изобретательский уровень, т.к. 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 антенны.

Как видно из чертежа, конструктивно логопериодическая антенна выполнена так, что внешние концы диполей 1 ограничены непрерывной кусочно-ломаной линией 2, образуя по сути k участков с различными значениями и t При этом параметры a₁ и ₁ первого, высокочастотного участка антенны определяются, как правило, из условия обеспечения требуемого КУ на верхней граничной частоте рабочего диапазона. Угол наклона ₂ последующей секции выбирается в соответствии с требуемой степенью сокращения габаритов антенны и допустимого КУ на этом частотном участке рабочего диапазона. Период же ₂ выбирается в строгом соответствии с выражением

₂= ⁿ₁.

Период третьего участка ₃= ⁿ₂ и т.д.

Сущность изобретения заключается в том, что период логопериодической структуры изменяется от одного участка антенны к другому в строгом соответствии с соотношением _k+1= ⁿ_k Изменение от участка к участку по предложенному закону эквивалентно пропорциональному сжатию логопериодической структуры на период, что не ведет к расфазировке антенны. Это объясняется свойством логопериодической структуры изменять фазу излучаемого поля на 2 при пропорциональном ее сжатии на период (см. Сверхширокополосные антенны, с. 258 259).

Антенна работает следующим образом.

При подведении высокочастотной энергии возбуждаются резонансный вибратор и 2 3 вибратора, расположенных справа и слева от резонансного и образующих "активную область". При изменении частоты возбуждения "активная область" перемещается вдоль антенны, охватывая все новые и новые вибраторы. Ширина "активной области" (количество эффективно возбужденных на данной частоте вибраторов) зависит от параметров a и Если "активная область" охватывает вибраторы, принадлежащие одному и тому же k-му участку антенны с параметрами a_к и _к то ширина активной области для этого участка постоянна, а излучаемая возбужденными вибраторами энергия складывается в точке приема в фазе. Поэтому ширина диаграммы направленности (ДН) и ее форма для этого участка антенны остаются постоянной. Если "активная область" охватывает вибраторы (k+1) участка антенны с параметрами _k+1 и _k+1 то форма ДН будет аналогична форме ДН k-го участка антенны, а ширина ДН изменяется в соответствии с изменением параметров и , оставаясь постоянной для этого участка антенны. Когда "активная область" охватывает вибраторы, принадлежащие двум соседним участкам с параметрами _к и _k+1, и _k+1= ⁿ_k то излучаемая вибраторами энергия также будет складываться в точке приема в фазе, но "составная область" будет либо расширяться (при переходе от участка с меньшим значением к участку с большим значением), либо сужаться (при переходе от участка с большим значением t к участку с меньшим значением). При этом ширина ДН будет либо сужаться, либо расширяться, но форма ДН и уровень боковых лепестков будут оставаться неизменными. Ширина ДН "активной области", расположенной на стыке двух участков, будет иметь промежуточное значение ширины ДН k-го и k+1-го участка антенны.

Авторами была изготовлена действующая модель логопериодической вибраторной антенны с 3-кратным перекрытием по диапазону и состоящая из 3-х участков. Параметры логопериодической структуры 1-й высокочастотной секции были выбраны равными ₁= 0,95, ₁=8 Параметр последующих секций в соответствии с предложенным законом при n= 2 составил соответственно t₂= 0,9025 и ₃= 0,8145. Углы ₂ и ₃ были выбраны равными 15^o и 20^o. Результаты экспериментальных исследований показали, что данная антенна обладает постоянством формы диаграммы направленности и уровня бокового излучения во всем частотном диапазоне. При этом получены следующие результаты: коэффициент усиления антенны на верхней частоте диапазона составил 10,3 дБ, на нижней 6,8 дБ, КСВН не более 2, осевая длина антенны получилась равной 2,55 м. В то же время обычная логопериодическая вибраторная антенна на этот же рабочий диапазон частот с коэффициентом усиления на верхней частоте, равным 10 дБ, имеет осевую длину 5,5 м.

Таким образом, в предлагаемой логопериодической вибраторной антенне обеспечивается постоянство формы диаграммы направленности и уровня бокового излучения во всем диапазоне рабочих частот.