ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКАЯ АНТЕННА ИЗ ЛИНЕЙНО-СПИРАЛЬНЫХ ВИБРАТОРОВ Российский патент 2009 года по МПК H01Q9/00 

Изобретение относится к электрорадиотехнике и может быть использовано преимущественно на подвижных объектах.

Широкому использованию логопериодических вибраторных антенн (ЛПВА) KB и УКВ диапазонов на подвижных объектах мешают их большие габаритные размеры. Поэтому уменьшение размеров этих антенн - актуальная задача. Решая ее, как правило, идут по пути уменьшения размеров вибраторов тем или иным способом.

Известен способ укорочения вибраторов логопериодических вибраторных антенн путем выполнения их в виде цилиндрических спиралей [Яцкевич В.А., Самусенко А.И. Электродинамический анализ спиральных вибраторов. Изв. вузов и ССО СССР. - Радиоэлектроника, 1983, с.25-30].

Однако с укорочением диполей растет их добротность, вследствие чего уменьшается число вибраторов в активной зоне, падает усиление. Для компенсации потерь в направленности приходится увеличивать число вибраторов и продольный размер ЛПВА.

Целью изобретения является уменьшение размеров вибраторов и продольного размера ЛПВА.

Поставленная цель достигается за счет того, что в качестве элементов ЛПВА используется излучатель, в котором симметричные спиральный и линейный диполи размещены соосно и имеют общую точку возбуждения, при этом длина 2Н^л линейного диполя (ЛД) в два раза меньше длины 2Н^с провода спирального диполя (СД).

На фиг.1 показана схема линейно-спирального диполя, где

1 - диаметр провода спирали 2a^с;

2 - диаметр спирали 2r^c;

3 - длина линейного диполя 2Н^л;

4 - длина спирального диполя 2Н^с.

Измерения показали, что в отличие от линейного и спирального диполей линейно-спиральный вибратор (ЛСВ) имеет два низкоомных резонанса и соответственно две полосы пропускания, отличающиеся друг от друга по частоте в два раза. При этом диаграммы направленности на частотах полос пропускания имеют форму, близкую к тороидальной. Эти свойства ЛСВ позволяют построить ЛПВА уменьшенных размеров. Уменьшение продольного размера достигается прохождением активной зоны ЛПВА по всем ЛСВ дважды при изменении частоты.

На фиг.2 показана схема ЛПВА из линейно-спиральных вибраторов.

ЛПВА характеризуют следующие конструктивные параметры:

5 - длина провода спирального плеча m-го ЛСВ L_m;

6 - угол между продольной осью ЛПВА и прямой, проходящей через концы спирали ЛСВ 2α^c;

7 - угол между продольной осью ЛПВА и прямой, проходящей через концы линейных вибраторов (ЛСВ в том числе) 2α^l;

8 - число ЛСВ в ЛПВА m;

9 - общее число вибраторов в ЛПВА N;

ξ=l/Н^c - геометрический коэффициент укорочения спиральной части ЛСВ;

a^c _m - радиус провода спиральной части m-го ЛВС;

a^л _m - радиус провода m-го линейного вибратора (в том числе ЛСВ) (не показано);

10 - расстояние от общей вершины углов α^c и α^л до m-го вибратора R_m;

τ=R_m+1/R_m - коэффициент периодичности;

σ^c=(R_m-R_m+1)/4L_m; σ^л=(R_m-R_m+1)/4H^л _m, где σ - расстояние в долях волны между полуволновым и соседним, меньшим, вибратором.

11 - расстояние между первым вибратором и коротким замыканием распределительной линии L_т=0,5l₁;

12 - продольная длина полотна вибраторов L=R]-Rx.

Для расчета добротности ЛСВ и последующего расчета коэффициента направленного действия (КНД) и диаграммы направленности ЛПВА экспериментально были определены значения входных сопротивлений R^с _in и реального коэффициента укорочения ξ_r на частотах 1-го резонанса спирального диполя в ЛСВ и СД в свободном пространстве в зависимости от значения геометрического коэффициента укорочения ξ при l/H^л=2 и l=const; ξ_r=(ξf_ξ=1)/f_ξ>i, где

f_ξ=1 и f_ξ>1 - частоты 1-го резонанса прямолинейного и спирального диполей.

Эксперимент показал, что значения ξ_r для СД и ЛСВ отличаются один от другого.

Экспериментальные зависимости ξ_r=f(ξ) и R^c _in=f(ξ) при ξ≤₂, a/L=0,001…0,015 и Ф^c/2L=0,02…0,06 хорошо аппроксимируются формулами для СД в свободном пространстве

для СД в составе ЛСВ

для входного сопротивления СД и ЛСВ

Известно выражение для добротности полуволнового диполя из линейных проводников

где ρ - волновое сопротивление диполя.

Добротность спирального диполя Q^s зависит от влияния коэффициента укорочения на ρ и R^c _in.

При изменении ξ от 1 до 2 R^c _in изменяется значительно быстрее, чем волновое сопротивление, что позволяет приближенно считать ρ≈const.

Подставляя в (4) значение входного сопротивления из (3), получаем выражение для добротности СД и ЛСВ

Расчет добротности СД по (5) совпадает с результатами расчета в (2) и экспериментальными данными.

Для успешной работы ЛПВА из ЛСВ необходимо выполнить следующие условия:

1. L_m=2H^л _m, откуда 2σ^c=σ^л;

2. 0,05≤σ^с≤0,11, т.к. значения σ^с и σ^л в ЛПВА должны быть в пределах 0,05…0,22;

3. L_m>H^л ₁, размер проводника m-го плеча спирали самого малого ЛСВ должна быть больше размера плеча ЛД самого большого (1-го) ЛСВ, H^л ₁=1_mτ.

Использование линейно-спиральных вибраторов в логопериодической антенне позволяет сократить как длину низкочастотных вибраторов, так и продольный размер антенны, а также увеличить в 2-2,5 раза направленность в высокочастотной части диапазона. Наибольшее уменьшение продольного размера достижимо у ЛПВА с шириной рабочего диапазона около двух октав. Если за эквивалент ЛПВА из ЛД и ЛСВ принять равенство их КНД в диапазоне частот, то достижимо сокращение продольного размера в 1,8 раза. В ЛПВА из ЛСВ следует использовать разомкнутую распределительную линию, что исключит падение КБВ в середине рабочего диапазона антенны. Поставленная цель достигнута.

Изобретение относится к области радиотехники. Техническим результатом является уменьшение размеров вибраторов и продольного размера антенны, который достигается за счет того, что в качестве элементов логопериодической вибраторной антенны использован излучатель, в котором симметричные спиральный и линейный диполи размещены соосно и имеют общую точку возбуждения. При этом длина 2H^л линейного диполя в два раза меньше длины 2Н^с провода спирального диполя. 2 ил.

Логопериодическая антенна из линейно-спиральных вибраторов, содержащая в своем составе излучатель, спиральные и линейные диполи, отличающаяся тем, что в качестве элементов логопериодической вибраторной антенны используется излучатель, в котором симметричные спиральный и линейный диполи размещены соосно и имеют общую точку возбуждения, при этом длина (2Н^л) линейного диполя в два раза меньше длины (2Н^с) провода спирального диполя.