ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКАЯ ВИБРАТОРНАЯ АНТЕННА Российский патент 1997 года по МПК H01Q11/10 

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 τ<1 Шаг логопериодической структуры (σ) представляет собой расстояние в длинах волн между полуволновым и соседним, меньшим вибратором. Величина σ для ЛПВА постоянна и связана с показателем геометрической прогрессии t соотношением

где α 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
τ_k+1= τnk

,
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 диполя;
N количество участков антенны с различными углами α.

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
τ_k+1= τnk

,
где n целое число, большее или равное 2 (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 α.

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 τ_k+1= τnk

, 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 α и t При этом параметры a₁ и τ₁ первого, высокочастотного участка антенны определяются, как правило, из условия обеспечения требуемого КУ на верхней граничной частоте рабочего диапазона. Угол наклона α₂ последующей секции выбирается в соответствии с требуемой степенью сокращения габаритов антенны и допустимого КУ на этом частотном участке рабочего диапазона. Период же τ₂ выбирается в строгом соответствии с выражением
τ₂= τn1

.
Период третьего участка τ₃= τn2 и т.д.

Сущность изобретения заключается в том, что период логопериодической структуры τ изменяется от одного участка антенны к другому в строгом соответствии с соотношением τ_k+1= τnk

Изменение τ 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 2π 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 τ Если "активная область" охватывает вибраторы, принадлежащие одному и тому же k-му участку антенны с параметрами a_к и τ_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 α_k+1 и τ_k+1 то форма ДН будет аналогична форме ДН k-го участка антенны, а ширина ДН изменяется в соответствии с изменением параметров α и τ, оставаясь постоянной для этого участка антенны. Когда "активная область" охватывает вибраторы, принадлежащие двум соседним участкам с параметрами α_к и α_k+1, и τ_k+1= τnk

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 τ 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 τ₁= 0,95, α₁=8^° Параметр τ последующих секций в соответствии с предложенным законом при n= 2 составил соответственно t₂= 0,9025 и τ₃= 0,8145. Углы α₂ и α₃ 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.

Использование: в радиотехнических системах различного назначения. Цель изобретения - сохранение формы диаграммы и уровня бокового излучения в рабочем диапазоне частот. Логопериодическая антенна содержит множество компланарных излучателей, имеющих форму диполей 1, расположенных параллельно друг другу и присоединенных к симметричному двухпроводному фидеру 3 так, что излучение осуществляется в направлении наименьшего диполя, а внешние концы диполей ограничены непрерывной кусочно-ломаной линией 2 с постоянным в пределах каждого прямого участка линии углом наклона α и периодом логопериодической структуры t , причем расстояния между диполями 1 и отношение для диполей к их радиусам выбраны так, что входное сопротивление антенны постоянно в диапазоне рабочих частот. Периоды логопериодической структуры соседних участков антенны с различными углами наклона выбраны строго определенными и связаны между собой соотношением
τ_K+1= τnK

, ,
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 α . 1 ил.

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 α 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
τ_k+1= τnk

,
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 α.